An atlas of microtubule lattice parameters regulated through ligand binding to the microtubule-stabilizing sites
Abstract
Microtubules are dynamic cytoskeletal polymers whose lattice architecture regulates force generation, nucleotide hydrolysis, and recognition by motor proteins and microtubule-associated proteins (MAPs). Microtubule-stabilizing agents (MSAs), including taxanes and laulimalide/peloruside-site ligands, suppress depolymerization by binding to defined lattice sites, yet stabilization is not structurally neutral. How ligand chemistry reshapes lattice organization and function remains unresolved. Here, we address three mechanistic questions. First, do distinct ligand classes induce defined lattice states? Using X-ray fiber diffraction, we show that MSAs selectively stabilize two preferred longitudinal conformations, a compact state (~4.06 nm monomer rise) and an expanded state (~4.17 nm), while modulating lateral organization reflected in shifts in mean MT radius. These axial spacings cluster around discrete values across chemotypes, indicating stabilization of preexisting conformational minima rather than continuous distortion. Second, are these states interconvertible upon changes in ligand occupancy? Time-resolved diffraction reveals that longitudinal transitions occur within seconds of ligand addition even at substoichiometric occupancy, whereas, lateral equilibration proceeds slower, consistent with redistribution within heterogeneous protofilament organizations. Third, do such structural states alter nucleotide hydrolysis and motor/MAP behavior? Expanded lattices are associated with reduced apparent GTP hydrolysis rates under steady-state assembly conditions and altered kinesin motility, whereas compact lattices preferentially promote tau binding and distinct motor interaction profiles. Together, these findings establish longitudinal lattice conformation as a regulatory parameter and position MSAs as chemical tools that bias a dynamic structural landscape with predictable catalytic and transport consequences.
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Journal Info
Proceedings of the National Academy of Sciences
National Academy of Sciences
Authors (28)
Daniel Lucena-Agell
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Óscar Fernández
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Rebeca París-Ogáyar
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Juan Estévez-Gallego
Laboratory of Biomolecular Research, Department of Biology and Chemistry, Paul Scherrer Institute
Denisa Ondrúšková
Institute of Biotechnology Czech Academy of Sciences, Biotechnology and Biomedicine Centre of the Academy of Sciences and Charles University
Beatriz Álvarez-Bernad
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Francesca Bonato
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Jaime Larraga
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Diego Ortíz de Elguea
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Gregorio Javier Cano
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Maarten Scheers
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Hiroshi Imai
Department of Biological Sciences, Graduate School of Science, The University of Osaka
Toshiki Yagi
Department of Life and Environmental Sciences, Faculty of Bioresource Sciences, Prefectural University of Hiroshima
Hiroyuki Iwamoto
Research and Utilization Division, Japan Synchrotron Radiation Research Institute, SPring-8
Juan Carlos Martínez-Guil
ALBA Synchrotron, Consorcio para la Construcción, Equipamiento y Explotación del Laboratorio de Luz de Sincrotrón
A. Jonathan Singh
Ferrier Research Institute, and Centre for Biodiscovery, Victoria University of Wellington
Robert Alexander Keyzers
School of Chemical and Physical Sciences, and Centre for Biodiscovery, Victoria University of Wellington
Christopher D. Vanderwal
Karl-Heinz Altmann
ETH Zurich, Department of Chemistry and Applied Biosciences, Institute of Pharmaceutical Sciences
Johan Van der Eycken
Department of Organic and Macromolecular Chemistry, Faculty of Sciences, Ghent University
Valle Palomo
Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia
Wei-Shuo Fang
Institute of Materia Medica, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College
Federico Gago
Department of Biomedical Sciences, University of Alcalá
Zdeněk Lánský
Institute of Biotechnology Czech Academy of Sciences, Biotechnology and Biomedicine Centre of the Academy of Sciences and Charles University
Marcus Braun
Institute of Biotechnology Czech Academy of Sciences, Biotechnology and Biomedicine Centre of the Academy of Sciences and Charles University
María Á. Oliva
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Shinji Kamimura
Department of Biological Sciences, Faculty of Fundamental Science and Engineering, Chuo University
J. Fernando Díaz
Unidad Interdepartamental de Desarrollo de Nuevos Fármacos Biológicos, Inmunológicos y Químicos para la Salud Global, Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas, Consejo Superior de Investigaciones Científicas