Molecular crowding creates traffic jams of kinesin motors on microtubules

Abstract

Despite the crowdedness of the interior of cells, microtubule-based motor proteins are able to deliver cargoes rapidly and reliably throughout the cytoplasm. We hypothesize that motor proteins may be adapted to operate in crowded environments by having molecular properties that prevent them from forming traffic jams. To test this hypothesis, we reconstituted high-density traffic of purified kinesin-8 motor protein, a highly processive motor with long end-residency time, along microtubules in a total internal-reflection fluorescence microscopy assay. We found that traffic jams, characterized by an abrupt increase in the density of motors with an associated abrupt decrease in motor speed, form even in the absence of other obstructing proteins. To determine the molecular properties that lead to jamming, we altered the concentration of motors, their processivity, and their rate of dissociation from microtubule ends. Traffic jams occurred when the motor density exceeded a critical value (density-induced jams) or when motor dissociation from the microtubule ends was so slow that it resulted in a pileup (bottleneck-induced jams). Through comparison of our experimental results with theoretical models and stochastic simulations, we characterized in detail under which conditions densityand bottleneck-induced traffic jams form or do not form. Our results indicate that transport kinesins, such as kinesin-1, may be evolutionarily adapted to avoid the formation of traffic jams by moving only with moderate processivity and dissociating rapidly from microtubule ends.

Prime movers: the mechanochemistry of mitotic kinesins

“…Kip3 moves around the microtubule axis as it moves towards plus ends, with a leftwards bias 117 , and can form traffic jams of piledup motors at microtubule plus ends 118 . A microtubule-binding site at the C-terminus of the tail of KIF18A is required for mitotic function and is proposed to increase processivity 119,120 .…”

Comment éviter la formation d’embouteillages de moteurs moléculaires lors du trafic intracellulaire ?

“…Cette ciné-tique de croissance est bien décrite par un modèle théorique basé sur un bilan de flux. Ainsi, le premier mécanisme de formation d'un embouteillage molécu-laire que nous présentons [3] est lié à la formation d'un goulet d'étranglement à l'extrémité « plus » créé par le faible de taux de décrochage des moteurs et leur longue processivité. microtubule ( Figure 1A).…”

“…Grâce aux expériences décrites ci-dessus, nous avons pu mettre en évidence la formation d'embouteillages de kinésines Kip3 en se plaçant à une densité molé-culaire relativement faible, mais dans des conditions de haute processivité et temps de résidence important au bout « plus » du microtubule, c'est-à-dire à basse salinité (Figure 2A) [3]. Une fois que les moteurs s'attachent le long du microtubule, ils sont transportés vers le bout « plus ».…”

“…les différentes conditions dans lesquelles se forment des embouteillages formés uniquement de kinésines [3]. En effet, il suffit d'avoir des moteurs très processifs avec un certain temps de résidence à l'extrémité des microtubules ou, simplement, une très forte densité de moteurs.…”

“…Il est donc intéressant de se demander quels mécanismes les cellules saines ont développés pour éviter la formation d'embouteillages de cargos et assurer un transport intracellulaire aussi efficace que possible. C'est la question que nous avons explorée dans une étude récemment publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences of USA [3] qui se concentre plus particulièrement sur le rôle des moteurs moléculaires. Comment les moteurs se comportent-il sur une route encombrée ?…”