Analyzing cellular microtubule patterns

Ram DixitBiology Departmentramdixit@wustl.edu

Plant Microtubule Arrays

Wasteneys. J Cell Science. 2002

Interphase cortical array

Preprophaseband

Spindleapparatus

Phragmoplast

Microtubules: structure and dynamics

The cortical microtubule cytoskeleton

• The arrangement of cellulose microfibrils mirrors that of the underlying CMTs

• The CMT array acts as a scaffold that directs the deposition of cell wall material

Microtubules

Cellulose cables

Cortical microtubule orientation is important for its function

Random cortical MT arrangement = Isodiametric cells

Ordered cortical MT arrangement = Polarized cell elongation

Burk and Ye. 2002. Plant Cell

How do cortical microtubules become organized into particular patterns?

Movie of Cortical Microtubules

• Crowded array• Microtubules are dynamic (although global pattern persists over time)• New microtubules are born; some are cut (ignore these events for the following analyses)

Green = microtubule polymerRed = microtubule growing tip (comet)

Extracting information from images

1) Image‐based orientation analysis: How stable is the array orientation regionally and globally?

Input: an image stack of microtubule video framesOutput: The orientation distribution of microtubules in each frame and its change across frames, in the form of:

a) A histogram showing the distribution of # of microtubules by angles, for a given frame– to determine the dominant angle for each frameb) A color bar showing the regional dominant microtubule angle along the X axis (long axis of the cell), for a given frame (divide the cell into 10 sectors)c) An image created by stacking the color bars in (b) over all frames– to represent the regional microtubule orientation dynamics

T = 0 T = 1 T = 2

2) Interactive comet tracking: What is the (absolute) angular orientation of each microtubule? What is the average duration of microtubule growth?

Input: an image stack of comet video frames, and user‐specified location of ONE comet on a start frameOutput:  the same comet tracked through subsequent frames until it disappears. As an extension, the user should be able to click on multiple comets and the algorithm can track them simultaneously.

T = 0

T = 1

T = 2

T = 3

T = 4

T = 5

NOTE: Disappearance of comet does not mean that the microtubule is gone, it generally means that the microtubule is shortening (and it can start to re‐grow again)

3) Population‐wide lifespan/orientation analysis

Input: an image stack of comet video frames,Output: the algorithm automatically identifies a collection of comet trails and analyze their average life span (and orientation)NOTE: May not be able to distinguish between multiple microtubules growing at the same orientation (or between multiple growth phases of the same microtubule)