Molecular motors enhance microtubule lattice plasticity
微管是活细胞的关键结构元件，对于细胞分裂、细胞内运输和运动至关重要。最近的实验表明，微管切割蛋白和分子马达刺激游离微管蛋白直接和局部掺入到轴中。然而，微管相关蛋白如何影响晶格的机制图片是完全缺失的。在这里，我们从理论上探讨了一个潜在的机制，晶格周转的过程性分子马达刺激，其中一个弱的瞬态不稳定的晶格马达步进促进移动空位的形成。在没有游离微管蛋白的情况下，缺陷迅速扩展，导致完全断裂。在存在自由微管蛋白的情况下，马达行走诱导在与马达行走相反的方向上的空位漂移。漂移是伴随着直接和本地化的免费的微管蛋白的掺入沿轨迹的空缺。我们的研究结果与实验一致，并强烈表明，一个弱的晶格电机相互作用是负责增强微管轴可塑性。
2022-09-19 cond-mat.soft q-bio.SC
Stochastic modelling of collective motor protein transport through a crossing of microtubules
真核细胞中的细胞骨架起着几个至关重要的作用。在细胞内运输方面，马达蛋白使用细胞骨架丝作为骨架，它们可以沿着骨架主动运输生物货物，例如携带生化反应物的囊泡。这些细丝之间的交叉是一个关键因素，因为它们可能改变这种有效载荷的目的地。虽然已知马达蛋白在这样的交叉点上表现出丰富的行为，但后者迄今为止仅被建模为简单的分支点。在这里，我们探讨了一个模型，两个微管之间的交叉保留的个人轨道组成的原丝，我们构建了一个示意图表示的运输路径。我们研究集体运输例示的完全不对称的简单排斥过程（TASEP），并提供了一个全面的分析的运输功能和相关的相图，通过一个通用的平均场的方法，我们确认通过基于粒子的随机模拟。特别是，我们表明，通过这样一个复合交叉运输不能近似从一个简单的分支点粗粒度的结构。相反，它产生了全新的和违反直觉的特征：交通流的基本电流密度关系不再是单值函数，而且根据它是在交叉口的上游还是下游观察到的而有所不同。我们认为，这些新的功能可能是直接相关的解释实验测量。
2020-06-18 physics.bio-ph q-bio.SC
A hydrodynamic instability drives protein droplet formation on microtubules to nucleate branches
液-液相分离不仅发生在本体液体中，而且发生在表面上。在生理学中，细胞结构上的冷凝物的性质和功能仍然未被探索。在这里，我们研究如何凝聚蛋白TPX 2的行为微管启动分支微管成核，这是在真核细胞中的纺锤体组装的关键。使用荧光，电子和原子力显微镜和流体动力学理论，我们表明，TPX 2的微管重组根据瑞利高原不稳定性，像露珠图案的蜘蛛网。在均匀地包覆微管后，TPX 2形成规则间隔的液滴，分支从液滴中成核。液滴间距随着TPX 2浓度的增加而增加。一个随机模型表明，液滴使分支成核更有效地限制空间沿微管多个必要的因素共定位成核分支。
2020-09-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Stabilization of microtubules due to microtubule-associated proteins: A simple model
提出了一个微管相关蛋白（MAP）稳定微管组装的理论模型。MAP被认为是结合到微管丝，从而防止其分解后水解和增强进一步聚合。使用平均场速率方程和显式的数值模拟，我们表明，MAP的密度（MAP的微管中的微管蛋白的数量）必须超过一个临界值$ρ_{c}$，以稳定的结构对解聚。在较低密度$ρ< ρ_{c}$下，微管群体主要由具有指数衰减长度分布的短聚合物组成，而在$ρ> ρ_{c}$下，平均长度随时间线性增加，微管最终延伸到细胞边界。使用各种参数的实验测量值，可以看出无限生长所需的MAP与微管蛋白的临界比率为1：100或甚至更小。
2003-12-05 q-bio.CB q-bio.SC
Length-dependent dynamics of microtubules
某些调节蛋白通过以取决于微管长度的速率诱导灾难来影响微管的聚合动力学。使用一个离散的配方，在这里，我们表明，对于一个灾难率成正比的微管长度，稳态概率分布的长度衰减快得多的长度比在没有这些蛋白质的情况下看到的指数衰减。
2012-04-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Large-scale chirality in an active layer of microtubules and kinesin motor proteins
在生物体早期发育过程中，左右侧化的形成需要一个微妙的机制，因为它与其他主体轴有关。卵细胞中任何固有的手性特征原则上都能触发这种手征对称性的自发破缺。单个微管，主要的细胞骨架丝，被称为手性对象。然而，到目前为止，还没有令人信服的证据表明微管的分子性质与大尺度手性之间存在层次性联系，特别是在整个细胞的长度尺度上。在这里，我们组装一个体外活性层，由微管和驱动蛋白马达蛋白，在玻璃表面上。在包含甲基纤维素，层状系统表现出一个远程的活动的双相，其特征在于由滑动MT的全球对齐。这一阶跨越整个系统的大小在毫米范围内，值得注意的是，允许隐藏的集体手性出现逆时针全球旋转的积极MT层。我们的理论模型的基础上的分析表明，新兴的全球性的微生物学秩序的结果从本地对齐的MT，稳定的甲基纤维素。这也表明，全球旋转来自于MT的内在曲率，导致优先的手性。鉴于其灵活性，这种分层的体外细胞骨架系统使研究膜蛋白的行为负责重要的细胞发育过程。
2018-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Motor protein transport along inhomogeneous microtubules
许多细胞过程依赖于细胞将物质运输到细胞核和从细胞核运输物质的能力。由许多微管和肌动蛋白丝组成的网络是这种运输的关键。最近，细胞内运输的抑制已经涉及神经变性疾病，如阿尔茨海默病和肌萎缩性侧索硬化症（ALS）。此外，微管可能含有所谓的缺陷区域，其中马达蛋白速度由于其他马达和微管相关蛋白的积累而降低。在这项工作中，我们提出了一个新的数学模型描述运动的微管，其中包括一个有缺陷的区域的蛋白质。我们采用平均场方法从第一原理晶格模型来研究马达蛋白动力学和密度分布。特别是，给定一组模型参数，我们得到一个封闭形式的表达沿给定的微管的平衡密度分布。然后，我们使用离散模型的数学分析和Monte Carlo模拟来验证分析结果。这项工作将有助于对不均匀微管的基本理解，从而深入了解可能导致神经退行性疾病发作的微观相互作用。我们的结果为非均匀的微管是一致的，与以前的工作研究均匀的情况。
2020-05-05 cond-mat.soft math.AP q-bio.SC
Kinesin Motor Transport is Altered by Macromolecular Crowding and Transiently Associated Microtubule-Associated Proteins
泡状物质、细胞器和其它大分子的细胞内运输是将大型物品移动通过拥挤且不均匀的细胞环境的必要过程。在努力剖析拥挤和日益复杂的细胞环境对单个马达蛋白运输的基本影响，我们进行了体外重建实验，在拥挤剂和瞬时微管相关蛋白的存在下，单个驱动蛋白-1马达在微管上行走，更紧密地模仿细胞环境。由于惰性聚合物的大分子拥挤引起增强运行长度的电机，但表现出增加的趋势，非特异性电机协会和扩散，最有可能是由于耗尽的相互作用。我们发现，瞬时结合的相关蛋白减慢了向前运动，但并没有显着影响协会的时间，在以前报道的稳定相关的微管相关蛋白，如神经元蛋白tau的障碍特性相反。在日益复杂的重组环境中的分子马达的运输特性的这种研究是重要的，以阐明细胞内货物运输的基本过程的基本生物物理学原理。
2014-09-11 q-bio.BM q-bio.SC
Connecting macroscopic dynamics with microscopic properties in active microtubule network contraction
细胞骨架是一种活性物质，被分子马达蛋白质驱动而失去平衡。目前尚不清楚细胞骨架网络的集体行为是如何从网络的组成马达蛋白和细丝的性质中产生的。在这里，我们提出的实验结果稳定的微管在非洲爪蟾卵母细胞提取物，它经历自发的体积收缩驱动的马达蛋白，并调查不同的初始微管密度和长度分布的影响。我们发现，网络收缩到一个类似的最终密度，无论微管的长度或其初始密度，但收缩时间尺度与平均微管长度。为了深入了解为什么这种微观特性会影响宏观网络收缩时间，我们开发了明确表示微管和马达的模拟。模拟定性地概括了收缩时间尺度与微管长度的变化，并允许来自不同来源的应力贡献进行估计和解耦。
2017-06-30 q-bio.SC
Microtubule length dependence of motor traffic in cells
在活细胞中，运动蛋白，如驱动蛋白和动力蛋白，可以沿着微管（MT）运动，也可以与微管分离或附着。实验发现，机动车的交通可能会堵塞，并设计了各种理论模型来理解这种交通堵塞现象。但以往的研究主要集中在运动附着/脱离率依赖性方面。Leduc { \it et al.}的最新实验发现运动蛋白驱动蛋白的交通堵塞形成也取决于MT的长度[Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. { \bf 109}，6100-6105（2012）]。在这项研究中，MT长度依赖于机动车交通的属性进行了分析。我们发现MT长度有一个{ \it临界值} $N_c$，只有当MT长度为$N>N_c$时才发生交通阻塞。MT的阻塞长度随MT总长度的增加而增加，而非阻塞MT长度可能不随MT总长度单调变化。临界值$N_c$随着运动从MT的脱离率而增加，但随着运动到MT的附着率而减小。
2012-05-18 physics.bio-ph q-bio.SC
Molecular Mechanisms for Microtubule Length Regulation by Kinesin-8 and XMAP215 Proteins
细胞骨架由大量的酶调节，这些酶影响细胞骨架丝的稳定性和动力学。驱动蛋白-8家族的分子马达以长度依赖的方式解聚微管，实验和理论证据表明驱动蛋白-8在微管的动态调节中起作用。然而，到目前为止，这些分子马达如何与生长的微管尖端相互作用的详细分子机制仍然难以捉摸。在这里，我们调查两个相互作用的场景驱动蛋白-8和微管尖端。我们给出了一个全面的分析制度的长度调节是可能的，以及固定长度如何取决于生化速率和各种蛋白质的体积浓度。对于一个中性的情况下，微管生长，无论微管尖端是否被分子马达占据，长度调节是可能的，只有一个狭窄的范围内的生化速率和限制到小的聚合速率。相比之下，对于抑制情况，其中在微管尖端存在马达抑制微管生长，长度调节的范围非常广泛，包括高生长速率。这些结果也适用于聚合酶，如XMAP 215和驱动蛋白-8相互排斥的微管尖端的情况。我们还研究了这两种情况下的随机动力学。而对于中性的情况下长度是严格控制的，长度动态是间歇性的抑制情况下，并表现出延长期的微管生长和收缩，让人想起微管动态不稳定。从更广泛的角度来看，在这项工作中建立的一组模型相当普遍地表明，在细胞骨架丝末端的分子的相互排斥是丝动力学和调节的一个重要因素。
2014-05-22 cond-mat.soft q-bio.SC
Kinesin-8 effects on mitotic microtubule dynamics contribute to spindle function in fission yeast
驱动蛋白-8马达蛋白使微管不稳定。它们在细胞分裂期间的缺失与有丝分裂染色体运动紊乱和染色体丢失有关。尽管最近的工作研究驱动蛋白8 s对微管动力学的影响，但仍不清楚驱动蛋白-8有丝分裂表型是否是其对微管动力学的影响的结果，其良好的运动活性，或其他未知的功能。为了更好地了解驱动蛋白-8蛋白在有丝分裂中的作用，我们研究了分裂酵母驱动蛋白-8蛋白Klp 5和Klp 6缺失对染色体运动和纺锤体长度动力学的影响。异常微管驱动的动粒推动运动和三极有丝分裂纺锤体发生在细胞缺乏Klp 5，但不是Klp 6。驱动蛋白-8缺失株在中期纺锤体长度表现出较大的波动，表明纺锤体长度稳定性的破坏。比较我们的结果从光学显微镜与数学模型表明，驱动蛋白-8诱导的微管动力学，动粒附着稳定性，并在纺锤体中的滑动力的影响可以解释异常的染色体运动和纺锤体长度波动。
2016-04-27 q-bio.SC
Diffusible crosslinkers cause superexponential friction forces
有丝分裂纺锤体位于细胞分裂过程中对细胞组分的时空控制的核心。纺锤体由微管组成，微管不仅被马达蛋白交联，而且被被动结合蛋白交联。这些被动交联剂通过在滑动细丝之间产生摩擦力来稳定高度动态的有丝分裂纺锤体。然而，目前还不清楚摩擦系数如何取决于交联剂的数量和微管之间重叠的大小。在这里，我们使用理论和计算机模拟来研究由被动蛋白质交联的两个细丝之间的摩擦，被动蛋白质可以在相邻的结合位点之间跳跃，同时物理上相互排斥。模拟结果表明，一个微管相对于另一个的运动受到自由能势垒交叉的限制，导致跨越相邻交联剂结合位点之间距离的微管的罕见和离散的跳跃。我们推导出一个精确的分析表达式的自由能景观，并确定控制相对运动的反应坐标，这使我们能够确定有效的势垒高度的微管跳跃。通过模拟和反应速率理论，我们做出了实验可检验的预测，即微管之间的摩擦力随交联剂密度的超指数增加。
2019-06-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Limited Resources Induce Bistability in Microtubule Length Regulation
蛋白质的可用性是决定有丝分裂纺锤体大小的重要因素。参与纺锤体大小调节的是驱动蛋白-8，一种分子马达和微管（MT）解聚酶，已知其严格控制MT长度。在这里，我们提出并分析了一个理论模型，其中驱动蛋白诱导的MT解聚与自发聚合竞争，而微管蛋白和驱动蛋白的供应是有限的。与以前的研究相比，资源不受限制，我们发现，在很宽的浓度范围内，MT长度调节是不确定的。我们测试我们的预测进行体外实验，并发现，在双峰MT长度分布的表现出的pathogenic行为。
2018-04-09 physics.bio-ph q-bio.SC
Curvature-sensitive kinesin binding can explain microtubule ring formation and reveals chaotic dynamics in a mathematical model
微管是丝状管状蛋白质聚合物，其对于一系列细胞行为是必不可少的，并且通常在微米长度尺度上是直的。然而，在一些滑动试验中，微管在分子马达的地毯上移动，即使在没有交联蛋白的情况下，单个微管也可以形成紧密的弧或环。理解这种现象可能会为类似的高度弯曲的微管提供重要的解释，这些微管可以在经历神经变性的神经细胞中发现。我们提出了一个模型的滑行试验中，驱动蛋白移动的微管表面诱导环的形成，通过差分结合，证实了最近的研究结果，在解决方案中应用的马达蛋白驱动蛋白的突变版本能够锁定微管曲率。对于某些参数制度，我们的模型预测，直和弯曲的微管可以同时存在稳定的稳态，已经看到实验。此外，发现不稳定的解决方案，其中微分结合波传播下来的微管，因为它滑过表面，这可能导致混沌运动。虽然这个模型解释了二维微管行为的实验滑动测定，它有可能被改编来解释神经细胞的病理卷曲。
2018-08-01 nlin.CD q-bio.SC
Microtubule depolymerization by the kinesin-8 motor Kip3p: a mathematical model
来自驱动蛋白-8家族的蛋白质促进微管（MT）解聚，这一过程被认为对于活细胞中微管长度的控制是重要的。除了这种MT缩短活性之外，驱动蛋白8是在MT上显示正末端定向运动的马达。在这里，我们描述了一个简单的模型，采用定向运动和不稳定的MT加端驱动蛋白8。我们的模型定量再现了在纯化的驱动蛋白8存在下稳定的MT的长度与时间的轨迹的关键特征，包括长度依赖性解聚。模型预测与实验的比较表明，驱动蛋白8解聚蛋白，即，一个马达可以从稳定的MT中去除多个微管蛋白二聚体。MT长度随时间的波动与解聚持续性有关。我们还确定了MT解聚速率依赖于长度的参数范围：长度依赖性解聚仅在MT足够短时发生;这种交叉对散装电动机浓度敏感。
2008-12-19 physics.bio-ph q-bio.SC
Distribution of lifetimes of kinetochore-microtubule attachments: interplay of energy landscape, molecular motors and microtubule (de-)polymerization
在一个细胞分裂成两个子细胞之前，染色体进行复制，导致两个姐妹染色体相互拥抱。每个姐妹染色体都与一个单独的蛋白质结构结合，称为动粒（kt），它捕获了一个丝状蛋白质的尖端，称为微管（MT）。两个方向相反的MT拉动附着在两个姐妹染色体上的两个KT，从而将两个姐妹染色体彼此拉开。在这里，我们从理论上研究一个更简单的系统，即一个孤立的KT耦合到一个单一的MT，该系统模拟了{ \it在体外}实验，其中一个单一的kt-MT附件使用从芽殖酵母纯化提取物重建。我们的模型不仅解释了实验观察到的kt-MT耦合的“捕获键样”行为，而且还对附件的寿命的概率分布做出了新的预测。原则上，我们的新预测可以通过分析{ \it in-vitro}实验中收集的数据进行测试，前提是实验重复足够多的次数。我们的理论提供了一个深刻的洞察到（a）大小，（b）能量学，和（c）随机动力学的kt-MT耦合对这些附件的寿命分布的影响。
2014-03-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Numerical parameter space compression and its application to microtubule dynamic instability
当生物系统的物理模型具有大量参数时，它们可能变得难以解释。但模型本身实际上只依赖于（即敏感于）这些参数的子集。通过参数空间压缩（PSC）的发展，已经可以严格识别这个“刚性”参数子集。然而，PSC仅适用于解析可解的物理模型。我们已经推广了这个强大的方法，通过开发一个数值方法PSC，可以应用于任何计算模型。我们验证了我们的方法对分析可解模型的随机游走漂移和蛋白质的生产和降解。然后，我们将我们的方法应用到生物物理学研究的一个活跃领域，即微管动态不稳定性的一个简单的计算模型。这些模型变得越来越复杂，也许是不必要的。通过添加两个新的参数，占微管的突出结构特征，我们确定了一个可以“压缩”（“缝”在微管）和另一个是必不可少的模型性能（“锥形”的微管末端）。此外，我们表明，微管模型有一个基本的，低维的结构，解释了我们的实验数据的绝大多数。我们认为，数值PSC可以识别低维结构的生物物理学中的任何计算模型。模型的低维结构更容易解释和识别最能表征系统的机制和实验。
2018-11-26 physics.bio-ph q-bio.SC
Examining the assembly pathways and active microtubule mechanics underlying spindle self-organization
基于微管的有丝分裂纺锤体的双极组织对于细胞分裂中染色体的忠实分离是必需的。尽管我们对基因和蛋白质有广泛的了解，但微管集合如何组装成适当的双极形状的物理机制仍然难以捉摸。在这里，我们使用无细胞的非洲爪蟾卵提取物和基于计算机的自动形状分析研究纺锤体自组织的途径。我们的显微镜分析使我们能够同时记录大量细胞质中数百个纺锤体的生长，并系统地分析自组织过程中每个结构的形状。我们发现，纺锤体成熟为双极形状的路线与那些最终具有缺陷结构的路线不同，例如三极形状。此外，成熟的结构是高度稳定的，在不同形状表型之间几乎没有转化的机会。对微管运动的可视化进一步揭示了一部分微管在额外的两极之间组装并将两极推开，这表明存在防止两极合并的主动伸展力。总之，我们建议，一个适当的控制的幅度和位置的可扩展，极推力是至关重要的建立主轴双极性，同时防止多极化。
2020-11-30 physics.bio-ph q-bio.SC
Modelling cargo transport in crowded environments: effect of motor association to cargos
本文建立货物动力学模型研究拥挤环境中马达与货物结合的影响，发现结合与拥挤的竞争效应导致运行长度随自由马达密度出现峰值，该特征由转移矩阵的最大特征值决定，且与实验观察一致。
2023-07-03 physics.bio-ph q-bio.SC
Motor function in interpolar microtubules during metaphase
我们分析实验观察微管经历小波动的“平衡点”时，混合在溶液中的两种不同的驱动蛋白马达蛋白，KLP 61 F和NCD。有人提出，微管运动是由于两种运动蛋白密度的随机变化。我们在这里测试这个假设，显示它如何映射到一个随机环境中的一维随机游走。我们对涨落幅度的估计与实验观察一致。我们指出，有一个初始的瞬态位置的微管，它通常会移动的顺序，其自身的长度。我们比较了这个滑行试验的物理最近的一个理论的作用，拮抗电机限制极间微管滑动的细胞有丝分裂纺锤体在前中期。结论是，随机定位的拮抗电机可以限制微管的相对运动，但他们这样做不完美。电机浓度的变化也进行了分析，并显示，导致更大的控制主轴长度。
2013-07-22 q-bio.BM q-bio.CB q-bio.SC
Dynein-driven self-organization of microtubules: An entropy- and network-based analysis
本研究针对微管网络空间有序性与鲁棒性的机制问题，通过分析动力蛋白驱动的径向微管自组织简化模型，发现稳态空间序与微管运动性相关、网络结构与初始连通性有关，并揭示了保障结构稳定性的自组织滞后现象。
2024-05-15 nlin.AO nlin.PS q-bio.SC
Herding of proteins by the ends of shrinking polymers
Yale University（耶鲁大学）
研究提出一种蛋白质通过收缩聚合物末端的'聚集'效应自发富集的机制，并通过实验验证微管调节因子spastin的应用。
2022-09-08 physics.bio-ph q-bio.SC
Collective dynamics of microtubule-based 3D active fluids from single microtubules
驱动蛋白驱动的、基于微管的3D活性流体的自组织依赖于单个微管的集体动力学。然而，宏观流体流动和微管的微观运动之间的联系仍然不清楚。在这项工作中，单微管的运动的特点是通过二维滑动分析，并与三维活性流体的流动进行比较。虽然这两个系统的规模相差1,000倍，但两者都是由进行性、非进行性或两种分子马达蛋白的相等混合物驱动的。为了寻找两个系统之间的动态相关性，通过改变温度和ATP浓度来调节运动活动，并比较两个系统的变化。马达的持续合成能力发挥了重要作用，在活跃的流体流动，但只有当流体几乎不动，否则，流量占主导地位的流体动力学阻力控制的样本大小。此外，虽然发动机的热反应导致主动流体随着温度的升高而流动得更快，但这种温度依赖性可以通过引入温度变化的耗尽剂来逆转，强调耗尽剂在设计主动流体的温度响应中的潜在作用。活性流体的温度响应几乎是立即的（<10秒）。这样的特性使得能够用温度开关控制活性流体。总的来说，这项工作不仅澄清了温度在活跃流体活动中的作用，而且揭示了活跃流体的集体动力学与其组成的单个微管的动力学之间关系的基本原理。
2019-04-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Biophysics of filament length regulation by molecular motors
调节物理尺寸是生物有机体必须解决的一个基本问题，从亚细胞到有机体尺度，但人们还不清楚生物体使用什么物理原理和机制来感知和调节它们的尺寸。任何生物物理的大小调节方案都在嘈杂的环境中运行，并且必须对其他细胞动力学和波动具有鲁棒性。这项工作发展的细丝长度调节理论的灵感来自最近的实验驱动蛋白-8马达蛋白，移动方向的偏见微管细丝和改变微管动力学。纯化的驱动蛋白-8马达可以使化学稳定化的微管脱髓鞘。在长度依赖性解聚模型中，解聚速率倾向于随着细丝长度增加而增加，因为长细丝在其尖端积累更多马达，因此缩短得更快。当与恒定的长丝生长速率平衡时，这种机制可以导致固定的聚合物长度。然而，驱动蛋白-8马达影响细胞中动态微管长度的机制尚不清楚。我们研究了更生物现实的问题，微管动态不稳定性调制的电机依赖性增加的细丝灾难频率。这导致平均长丝长度的显著减小和长丝长度分布的变窄。这些结果提高了我们对细胞长度调节的生物物理学的理解。
2013-02-13 physics.bio-ph q-bio.SC
Feedback Mechanism for Microtubule Length Regulation by Stathmin Gradients
我们制定和分析的微管（MT）聚合动力学的信号蛋白Rac 1和stathmin的调节的理论模型。在细胞中，MT生长速率被胞质stathmin抑制，而胞质stathmin又被Rac 1灭活。生长中的MT在细胞边缘激活Rac 1，从而闭合正反馈回路。我们研究微管蛋白螯合和灾难促进的MT生长抑制stathmin的机制。对于一个均匀的stathmin浓度在没有Rac 1，我们发现一个开关样调节MT的平均长度stathmin。对于在单元边缘的组成型活性Rac 1，stathmin被局部去激活，这建立了活性stathmin的空间梯度。在这个梯度中，我们发现一个固定的双峰MT长度分布的两种机制的MT生长抑制stathmin。双峰长度分布的一个亚群可以确定与快速增长和长先锋MT的细胞边缘附近的区域，这已被实验观察到。通过MT激活Rac 1，反馈回路闭合。对于通过stathmin进行的微管蛋白螯合，这建立了具有两个稳定状态的TMT开关：一个稳定状态对应于上调的MT平均长度和双峰MT长度分布，即，先锋MT;另一个稳定状态对应于具有短MT的中断反馈。随机效应以及外部扰动都可能触发转换事件。对于促进stathmin的灾变，我们没有发现双稳态。
2014-12-09 physics.bio-ph q-bio.SC
Crowding of molecular motors determines microtubule depolymerization
微管的组装和拆卸动力学是由微管相关蛋白紧密控制的。在这里，我们调查如何加上端定向解聚酶的驱动蛋白-8家族调节MT解聚动力学。采用以个人为基础的模型，我们重现实验结果。此外，拥挤被确定为解聚动力学的关键调节机制。我们的分析给出了两个性质不同的制度。对于电机密度超过一个特定的阈值，一个宏观的交通堵塞出现在加端和MT动态成为独立的电机浓度。低于该阈值，在尖端处出现微观交通堵塞，其抵消解聚动力学的影响，使得解聚速度仅由电机密度确定。由于这种密度随MT长度而变化，因此长度依赖性调节是可能的。值得注意的是，电机协同性不影响解聚速度，但只影响解聚酶的末端停留时间。
2011-11-14 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Dynamic instability of microtubules: effect of catastrophe-suppressing drugs
微管是构成细胞骨架的重要组成部分的刚性蛋白质。已知它们表现出动态不稳定性。一个稳定增长的微管可以突然开始非常迅速地解聚;这种现象被称为“灾难”。然而，通常收缩的微管被“拯救”并再次开始聚合。在这里，我们开发了一个模型的聚合-解聚动力学的微管在{ \it灾难抑制药物}的存在。在稳态下求解动力学方程，我们推导出精确的解析表达式的长度分布的微管与药物结合的微管蛋白亚基，以及那些微管，在生长和收缩阶段，与药物免费的纯微管蛋白亚基。我们还研究了稳态解的稳定性。
2007-02-21 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Tracking the Effects of Cancer on Microtubule Dynamic Instability
细胞骨架的动态不稳定性是许多重要细胞过程的基础。在神经元中，它被认为在信息处理和突触连接的建立中发挥作用。正是从这种神经元间的连接，大脑的大规模组织和功能最终出现。虽然大脑网络以上的细胞规模已被广泛研究与医学成像，还没有研究检查的动态架构subserving这些网络的组件，他们的功能的贡献。同时在分子和全脑尺度的功能成像可能会产生更全面的知识，这意味着。最近开发的微管动力学的非线性模型的基础上的统计分析程序，提出验证各种微管相关蛋白质的活动和功能连接之间的时空关系的预测。脑癌对功能连接性和瘤周复杂性的已知影响可作为在具有特别高和低复杂性的感兴趣区域中对这些现象进行比较研究的基础。
2019-12-17 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.NC
Microtubule Defects Influence Kinesin-Based Transport In Vitro
微管是蛋白质聚合物，形成活细胞内长距离运输的“分子高速公路”。分子马达积极地沿着微管在细胞核和细胞外围之间穿梭细胞物质;这种运输对于所有真核细胞的生存和健康至关重要。微管中存在结构缺陷，但这些缺陷是否影响基于分子马达的运输仍然未知。在这里，我们报告一个新的，据我们所知，方法，使我们能够直接调查这些缺陷的影响。使用一种改进的光捕获方法，我们研究了一个主要的分子马达，传统的驱动蛋白，当运输货物沿个别微管的组功能。我们发现，微管缺陷影响驱动蛋白为基础的运输在体外。这种影响取决于马达数量：由少数马达驱动的货物倾向于过早地从微管中解脱出来，而由更多马达驱动的货物则倾向于暂停。据我们所知，我们的研究提供了微管缺陷和驱动蛋白功能之间的第一个直接联系。在我们的研究中发现的影响可能具有体内生理相关性。
2016-10-04 q-bio.BM q-bio.SC
Emergent microtubule properties in a model of filament turnover and nucleation
本研究提出随机与PDE模型，揭示微管成核及长度调控机制决定微管长度与数量的涌现分布，并预测低成核致长度高变异、高成核致数量高变异，助力神经元微管调控理解。
2025-07-09 physics.bio-ph q-bio.SC
Tracking of plus-ends reveals microtubule functional diversity in different cell types
许多细胞过程与微管（MT）的动力学密切相关。虽然在神经元轴突中，MT主要调节细胞内运输，但它们在许多其他真核细胞中参与细胞骨架重组，使细胞能够有效地适应环境的变化。我们发现，在不同的细胞类型和区域的MT的功能差异反映在MT提示的动态特性。使用加端跟踪蛋白EB1监测不断增长的MT加端，我们发现，MT动力学和生命周期在人类神经元轴突显着不同的成纤维细胞。正端密度以及拯救和灾难频率增加，而生长速率向成纤维细胞边缘降低。这导致相当稳定的丝状网络结构，并保持细胞核和膜之间的连接。与此相反，正端均匀分布沿轴突，并表现出不同的聚合运行时间和空间均匀的救援和灾难频率，导致MT段的各种长度。聚合的漂移长度和MT长度的概率分布都遵循近指数尾，与MT动力学的两态模型的分析预测一致。
2017-12-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Minimal Mechanisms of Microtubule Length Regulation in Living Cells
针对果蝇神经元树突微管，本文结合随机模拟与平均场常微分方程分析，比较资源约束和长微管灾变两种最小长度限制机制及其参数区间。
2024-03-04 math.DS q-bio.SC
A nonequilibrium diffusion and capture mechanism ensures tip-localization of regulating proteins on dynamic filaments
调节酶在生物聚合物上的扩散运动最终在反应位点处被捕获是细胞生物学中的常见特征。使用格子气模型，我们研究了扩散和捕获的微管聚合酶和解聚酶的影响。我们的研究结果表明，捕获机制本地化的蛋白质，并创建大规模的空间相关性。我们开发了一个解析近似，全球占相关的相关性，并产生与实验数据非常吻合的结果。我们的研究结果表明，扩散和捕获最有效地在细胞酶浓度，这表明在体内的相关性。
2016-07-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Strength and stability of active ligand-receptor bonds: a microtubule attached to a wall by molecular motor tethers
我们开发了一个随机动力学模型的一个预先形成的附件的微管（MT）与细胞皮质，其中的MT是拴系到细胞的一组活跃的马达蛋白。这种连接是配体-受体键的一种特别独特的情况：MT配体通过聚合-解聚动力学随时间改变其长度（从而改变结合位点），而多个运动受体倾向于沿着MT长度主动行走。这些过程，结合力介导的马达的解绑，导致MT连接到细胞皮层的复杂行为。我们目前的结果的强度和寿命的系统，通过完善的力钳和力斜坡协议时，外部张力施加到MT。模拟结果表明，MT细胞附着行为作为一个捕捉债券或滑移债券取决于系统参数。我们提供了分析近似的寿命和讨论的影响，我们的结果在体外实验。
2017-08-20 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.SC
Microtubule Motility Analysis based on Time-Lapse Fluorescence Microscopy
有丝分裂纺锤体是细胞在细胞分裂过程中负责染色体分离的细胞机械，本文对纺锤体形成的部分机械机制进行了研究。在正常的真核细胞中，纺锤体由从两个中心体向外辐射的微管丝组成。然而，在许多转化细胞中，中心体数量被错误调节，导致细胞具有两个以上的中心体。解决这些细胞如何通过合并多余中心体形成正常纺锤体来容纳这些额外结构的问题，将为理解癌细胞的增殖和开发新的治疗方法提供强有力的见解。中心体聚结的过程被认为涉及马达蛋白，其功能是使微管相对于彼此滑动。在这里，我们使用体外运动分析结合荧光显微镜可视化，表征和量化微管-微管相互作用。在对微管进行分割后，提取微管运动的速度和方向作为特征，对微管的相互作用类型进行聚类。为了评估我们的处理算法的潜力，我们创建了一个类似于延时系列的模拟数据集。一旦我们的程序使用模拟数据进行了优化，我们将把它应用到实际数据中。我们的分析结果将提供一个定量的描述微管之间的相互作用。这是迈向更全面了解癌症的潜在重要一步。
2019-05-27 eess.IV q-bio.SC
Effective Motion of a Virus Trafficking Inside a Biological Cell
病毒运输是感染成功的基础，质粒胞质运输是基因递送的关键步骤。基于微管、马达蛋白等细胞运输机制的主要物理性质，本文的目标是建立一个研究细胞质运输的数学模型。由于实验结果表明，主动和被动运动都是必要的病毒到达细胞核，通过考虑到病毒与微管的复杂相互作用，我们在这里推导出病毒到达细胞核的平均时间的估计。特别是，我们提出了一个数学程序，其中复杂的病毒运动，纯扩散和确定性运动之间的振荡沿微管，可以近似为一个稳定状态的随机方程与恒定的有效漂移。给出了漂移幅度的显式表达式，它是真实漂移、微管密度和其他物理参数的函数。本方法可用于模拟细胞质内的病毒运输，这是病毒感染的基本步骤，导致病毒复制，并在某些情况下导致细胞损伤。
2007-12-20 q-bio.QM q-bio.SC
Stochastic kinetics of a single headed motor protein: dwell time distribution of KIF1A
KIF 1A是一种进行性的单头驱动蛋白超家族马达，它水解三磷酸腺苷（ATP），使其沿着微管的丝状轨道运动。KIF 1A在轨道上的随机运动的特征在于间歇和移位的交替序列。暂停和随后移位的持续时间的总和定义了停留时间。使用NOSC模型（Nishinari et.等人，PRL，{ \bf 95}，118101（2005）），我们系统地推导出停留时间分布的解析表达式。更详细的信息包含在两个连续步骤之间的“条件停留时间”$τ_{\pm\pm}$的概率密度中，每个步骤可以是前向（+）或后向（-）。我们计算这四个条件停留时间的概率密度$Ξ_{\pm\pm}$。然而，为了便于与实验数据进行比较，我们还提出了两个分布$Ξ_{\pm}^{*}$的时间停留前的一个前进（+）和一个倒退（-）步骤。原则上，我们的理论预测可以通过进行具有足够时空分辨率的单分子实验来测试。
2011-03-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Memory effects and Lévy walk dynamics in intracellular transport of cargoes
我们证明了在细胞内运输的累积惯性的现象，涉及多个电机蛋白在人类上皮细胞通过测量经验的生存概率的货物的微管和他们的脱离率。我们发现，货物在微管上移动的时间越长，它从微管上脱离的可能性就越小，因此，货物的运动是非马尔可夫的，并且涉及记忆。我们观察到记忆效应的规模高达2秒。我们提供了一个理论之间的联系测得的脱离率和超扩散利维步行样货物运动。
2018-10-25 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
A model for motor-mediated bidirectional transport along an antipolar microtubule bundle
细胞器的长距离双向运输依赖于马达蛋白驱动蛋白和动力蛋白。使用从真菌模型系统获得的定量数据，我们以前开发的ASEP模型的电机沿单极微管（MT）附近的细长菌丝细胞的细胞末端（本文称为“单极部分”）的双向运动。然而，最近在该系统中的定量活细胞成像已经证明，马达及其内体货物的长程运动性主要沿着细胞的中心部分（本文称为“双极部分”）内的延伸的反极微管束发生。动力蛋白和驱动蛋白-3马达协调它们的活动以双向方式移动早期内体（EE），其中动力蛋白沿着靠近细胞极的单极部分介导逆行运动，而驱动蛋白-3负责沿着反极部分的双向运动。在这里，我们扩展我们的建模方法来模拟沿反极微管束的双向运动。在我们的模型中，货物（颗粒）改变方向的每个MT与转向率$Ω$和MT相互连接在负端，在那里颗粒可以跳跃MT之间的速率$q_1$（障碍诱导切换率）或$q_2$（端诱导切换率）。通过数值模拟和平均场近似，我们研究了不同总密度$Θ$的MT的粒子分布。我们发现，即使$Θ$很低，系统也可以在正端和负端附近的密度分布中表现出由粒子碰撞引起的激波。我们还讨论了如何切换率$q_{1,2}$的影响类型的电机，占主导地位的积极运输束。
2012-11-21 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Quantifying intermittent transport in cell cytoplasm
主动细胞转运是蛋白质和囊泡递送、细胞周期和分子降解的基本机制。病毒可以劫持运输系统并利用它到达细胞核。大多数传输过程由间歇动力学组成，其中粒子（如病毒）的运动在纯布朗运动和沿着微管的定向运动之间交替。在这篇文章中，我们估计了颗粒附着到微管网络的平均时间。这种计算导致一个粗粒度的径向和圆柱形几何形状的间歇运动方程。最后，通过使用细胞质内的降解活性，我们得到了精确的渐近估计的概率和平均时间的病毒到达一个小的核孔。
2008-03-13 q-bio.QM q-bio.SC
Kinesin-12 KLP-18 contributes to the kinetochore-microtubule poleward flux during the metaphase of C. elegans one-cell embryo
该研究在线虫胚胎中发现仅着丝粒微管存在局部极向通量，由KLP-18驱动滑动，并受着丝粒调节因子调控，与整体通量机制不同。
2025-07-09 q-bio.SC
