Microtubule regulation in multi-cellular animals

Group leader

  • Paul CONDUIT

Research goal

We want to gain a fundamental understanding of how microtubule nucleation is spatiotemporally regulated within the context of multi-cellular animals. We are particularly interested in how the mechanisms regulating microtubule formation and organisation vary between cell types.

Background

Microtubules are dynamic polymers that make up part of the cell's cytoskeleton. They form a spectacular variety of arrays across different cell types and developmental stages. For example, during cell division microtubules are arranged into the mitotic spindle, which separates the duplicated chromosomes equally between daughter cells. In mature neurons, however, microtubules are arranged into polarised networks that run through axons and dendrites. These networks are required for structural support, neurite growth, and transport of molecules between the cell body and the neurite terminals. All cells use the same fundamental machinery to generate and organise microtubules, so how do different cells form such different microtubule arrays?

Research programme

We are addressing this question by studying the molecular regulation of multi-protein γ-tubulin ring complexes (γ-TuRCs), which template and catalyse de novo microtubule formation. γ-TuRCs are recruited and activated at specific sites within the cells in order to generate new microtubules at the right place and time. These sites include microtubule organising centres (MTOCs), such as centrosomes during mitosis or the Golgi in migrating fibroblasts, the sides of pre-existing microtubules, or specialised regions of cytoplasm, such as the cytosol surrounding mitotic chromatin. Once generated, molecular motors can slide microtubules against one another or even guide the direction of microtubule growth. Microtubules can also be stabilised by post-translational modifications or binding of other proteins. While not a focus of the lab, we are also interested in these post-nucleated processes as collectively they are important for correct microtubule array formation.

Main research areas currently within the lab

- Investigatin the molecular mechanisms regulating y-TuRC recruitment and activation at different MTOCs

- Understanding how microtubule formation and polarity are regulated within neurons

Methodology

We predominantly use Drosophila as an in vivo multi-cellular animal model system. We combine precise manipulation of the genome, fixed and live advanced cell imaging, and biochemical assays to probe the molecular regulation of microtubules and the effect of their mis-regulation within cells.

Impact

Our work has implications for cancer and neurodegenerative disease, as γ-TuRCs have been identified as potential anti-cancer targets and microtubules form part of an important response during neuronal stress.

Selected publications

Mukherjee A, Brooks P, Bernard F, Guichet A, Conduit PT. (2020). Microtubules originate asymmetrically at the somatic Golgi and are guided via Kinesin2 to maintain polarity within neurons. bioRxiv. [link]

Mukherjee A and Conduit PT. (2019). γ-TuRCs (quick guide). Current Biology. [link]

Tovey CA, Tubman CE, Hamrud E, Zhu Z, Dyas AE, Butterfield AN, Fyfe A, Johnson E, Conduit PT. (2018). γ-TuRC heterogeneity revealed by analysis of Mozart1. Current Biology 28, 2314-2323. [link]

Tovey CA and Conduit PT. (2018). Microtubule nucleation by γ-tubulin complexes and beyond. Essays in Biochemistry. DOI: 10.1042/EBC20180028 [link]

Feng Z, Caballe A, Wainman A, Johnson S, Haensele AFM, Cottee MA, Conduit PT, Susan M. Lea, Jordan W. Raff. (2017). Structural Basis for Mitotic Centrosome Assembly in Flies. Cell 169, 1078–1089. [link]

Objectif de la recherche


Nous voulons acquérir une compréhension fondamentale de la manière dont la nucléation des microtubules est régulée spatio-temporellement dans le contexte des animaux multicellulaires. Nous nous intéressons particulièrement à la manière dont les mécanismes régulant la formation et l'organisation des microtubules varient selon les types de cellules.

Contexte


Les microtubules sont des polymères dynamiques qui font partie du cytosquelette de la cellule. Ils forment une variété spectaculaire de réseaux à travers différents types de cellules et stades de développement. Par exemple, lors de la division cellulaire, des microtubules sont disposés dans le fuseau mitotique, qui sépare les chromosomes dupliqués de manière égale entre les cellules filles. Dans les neurones matures, cependant, les microtubules sont disposés en réseaux polarisés qui traversent les axones et les dendrites. Ces réseaux sont nécessaires au soutien structurel, à la croissance des neurites et au transport des molécules entre le corps cellulaire et les terminaux des neurites. Toutes les cellules utilisent la même machinerie fondamentale pour générer et organiser les microtubules, alors comment des cellules différentes peuvent-elles former des réseaux de microtubules aussi différents ?

Programme de recherche


Nous abordons cette question en étudiant la régulation moléculaire des complexes multiprotéiques γ-tubuline ring (γ-TuRCs), qui servent de modèles et de catalyseurs à la formation de nouveaux microtubules. γ-TuRCs sont recrutés et activés à des endroits spécifiques au sein des cellules afin de générer de nouveaux microtubules au bon endroit et au bon moment. Ces sites comprennent les centres d'organisation des microtubules (MTOC), tels que les centrosomes lors de la mitose ou le Golgi dans les fibroblastes en migration, les parois des microtubules préexistants, ou des régions spécialisées du cytoplasme, comme le cytosol entourant la chromatine mitotique. Une fois générés, les moteurs moléculaires peuvent faire glisser les microtubules les uns contre les autres ou même guider la direction de la croissance des microtubules. Les microtubules peuvent également être stabilisés par des modifications post-traductionnelles ou la liaison d'autres protéines. Bien que ce ne soit pas un objectif du laboratoire, nous nous intéressons également à ces processus post-nucléés car, collectivement, ils sont importants pour la formation correcte de réseaux de microtubules.

Principaux domaines de recherche actuellement au sein du laboratoire
- Étudier les mécanismes moléculaires qui régissent le recrutement et l'activation des y-TuRCs dans les différents MTOC
- Comprendre comment la formation des microtubules et la polarité sont régulées dans les neurones.

Méthodologie


Nous utilisons principalement la drosophile comme système modèle animal multi-cellulaire in vivo. Nous combinons la manipulation précise du génome, l'imagerie des cellules fixes et vivantes avancées et des essais biochimiques pour sonder la régulation moléculaire des microtubules et l'effet de leur mauvaise régulation au sein des cellules.
 
Impact


Notre travail a des implications pour le cancer et les maladies neurodégénératives, puisque des γ-TuRCs ont été identifiés comme des cibles anticancéreuses potentielles et les microtubules font partie d'une réponse importante lors du stress neuronal.

Sélection de publications

Mukherjee A., Brooks P., Bernard F., Guichet A., Conduit P.T. (2020). Microtubules originate asymmetrically at the somatic Golgi and are guided via Kinesin2 to maintain polarity within neurons. bioRxiv.

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Mukherjee A. and Conduit P.T. (2019). γ-TuRCs (quick guide). Current Biology.

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Tovey C.A., Tubman C.E., Hamrud E., Zhu Z., Dyas A.E., Butterfield A.N., Fyfe A., Johnson E., Conduit P.T. (2018). γ-TuRC heterogeneity revealed by analysis of Mozart1. Current Biology 28, 2314-2323.

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Tovey C.A. and Conduit P.T. (2018). Microtubule nucleation by γ-tubulin complexes and beyond. Essays in Biochemistry. DOI: 10.1042/EBC20180028

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Feng Z., Caballe A., Wainman A., Johnson S., Haensele A.F.M,. Cottee M.A., Conduit P.T., Susan M. Lea, Jordan W. Raff. (2017). Structural Basis for Mitotic Centrosome Assembly in Flies. Cell 169, 1078–1089.

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