Abstract Microtubules are dynamic cytoskeletal polymers that spontaneously switch between phases of growth and shrinkage. The probability of transitioning from growth to shrinkage, termed catastrophe, increases with microtubule age, but the underlying mechanisms are poorly understood. Here, we set out to test whether microtubule lattice defects formed during polymerization can affect growth at the plus end. To generate microtubules with lattice defects, we used microtubule-stabilizing agents that promote formation of polymers with different protofilament numbers. By employing different agents during nucleation of stable microtubule seeds and subsequent polymerization phase, we could reproducibly induce switches in protofilament number and induce stable lattice defects. Such drug-induced defects led to frequent catastrophes, which were not observed when microtubules were grown in the same conditions but without a protofilament number mismatch. Microtubule severing at the site of the defect was sufficient to suppress catastrophes. We conclude that structural defects within microtubule lattice can exert effects that can propagate over long distances and affect the dynamic state of the microtubule end.

Abstract Paclitaxel (Taxol ® ) is a taxane and a first-line chemotherapeutic drug that stabilizes microtubules. While the interaction of paclitaxel with microtubules is well described, the current lack of high-resolution structural information on a tubulin-taxane complex precludes a comprehensive description of the binding determinants that affect the drug’s mechanism of action. Here, we solved the crystal structure of the core baccatin III moiety of paclitaxel lacking the C13 side chain in complex with tubulin at 1.9 Å resolution. Based on this information, we engineered two tailor-made taxanes with modified C13 side chains, solved their crystal structures in complex with tubulin, and analyzed their effects along with those of paclitaxel, docetaxel, and baccatin III on the microtubule lattice by X-ray fiber diffraction. We then compared high-resolution structures of ligand-bound tubulin and microtubule complexes with apo forms and used molecular dynamics simulations to understand the consequences of taxane binding to tubulin as well as to simplified protofilament and microtubule-lattice models. Our combined approach sheds light on three mechanistic questions. Firstly, taxanes bind better to microtubules as compared to unassembled tubulin due to a dual structural mechanism: Tubulin assembly is linked to a conformational reorganization of the βM loop, which otherwise occludes ligand access to the taxane site, while the bulky C13 side chains preferentially recognize the microtubule-assembled over the unassembled conformational state of tubulin. Second, the occupancy of the taxane site by a ligand has no influence on the straightness of tubulin protofilaments. Finally, binding of the taxane core to the taxane site displaces the S9-S10 loop of β-tubulin resulting in microtubule expansion. Our results provide detailed new insights into the mechanism of microtubule-stabilization by taxanes.