SCOPUS
SCIE
Direct force measurements reveal that protein Tau confers short-range attractions and isoform-dependent steric stabilization to microtubules
저자
Chung, Peter J. ; Choi, Myung Chul ; Miller, Herbert P. ; Feinstein, H. Eric ; Raviv, Uri ; Li, Youli ; Wilson, Leslie ; Feinstein, Stuart C. ; Safinya, Cyrus R.
발행기관
학술지명
PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA -
권호사항
발행연도
2015
작성언어
-주제어
등재정보
SCOPUS,SCIE
자료형태
학술저널
수록면
6416-6425(10쪽)
제공처
<P><B>Significance</B></P><P>The microtubule-associated protein Tau is known to stabilize microtubules against depolymerization in neuronal axons, ensuring proper trafficking of organelles along microtubules in long axons. Abnormal interactions between Tau and microtubules are implicated in Alzheimer’s disease and other neurodegenerative disorders. We directly measured forces between microtubules coated with Tau isoforms by synchrotron small-angle X-ray scattering of reconstituted Tau–microtubule mixtures under osmotic pressure (mimicking molecular crowding in cells). We found that select Tau isoforms fundamentally alter forces between microtubules by undergoing a conformational change on microtubule surfaces at a coverage indicative of an unusually extended Tau state. This gain of function by longer isoforms in imparting steric stabilization to microtubules is essential in preventing microtubule aggregation and loss of function in organelle trafficking.</P><P>Microtubules (MTs) are hollow cytoskeletal filaments assembled from αβ-tubulin heterodimers. Tau, an unstructured protein found in neuronal axons, binds to MTs and regulates their dynamics. Aberrant Tau behavior is associated with neurodegenerative dementias, including Alzheimer’s. Here, we report on a direct force measurement between paclitaxel-stabilized MTs coated with distinct Tau isoforms by synchrotron small-angle X-ray scattering (SAXS) of MT-Tau mixtures under osmotic pressure (<I>P</I>). In going from bare MTs to MTs with Tau coverage near the physiological submonolayer regime (Tau/tubulin-dimer molar ratio; Φ<SUB>Tau</SUB> = 1/10), isoforms with longer N-terminal tails (NTTs) sterically stabilized MTs, preventing bundling up to <I>P</I><SUB>B</SUB> ∼ 10,000–20,000 Pa, an order of magnitude larger than bare MTs. Tau with short NTTs showed little additional effect in suppressing the bundling pressure (<I>P</I><SUB>B</SUB> ∼ 1,000–2,000 Pa) over the same range. Remarkably, the abrupt increase in <I>P</I><SUB>B</SUB> observed for longer isoforms suggests a mushroom to brush transition occurring at 1/13 < Φ<SUB>Tau</SUB> < 1/10, which corresponds to MT-bound Tau with NTTs that are considerably more extended than SAXS data for Tau in solution indicate. Modeling of Tau-mediated MT–MT interactions supports the hypothesis that longer NTTs transition to a polyelectrolyte brush at higher coverages. Higher pressures resulted in isoform-independent irreversible bundling because the polyampholytic nature of Tau leads to short-range attractions. These findings suggest an isoform-dependent biological role for regulation by Tau, with longer isoforms conferring MT steric stabilization against aggregation either with other biomacromolecules or into tight bundles, preventing loss of function in the crowded axon environment.</P>
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