Ученые получили детальные изображения связывания молекулярного мотора динеина

Ученые из Гарварда впервые получили высокодетальные изображения, показывающие, как "стопа" молекулярного мотора динеина связывается с микротрубочками — клеточными "рельсами", по которым он перемещается. Это прорыв в понимании того, как молекулярные "моторы" транспортируют белки и питательные вещества внутри клеток.

Как описано в статье от 20 сентября в журнале Science, команда под руководством Андреса Лешзинера и Самары Рек-Петерсон из Гарвардской медицинской школы (HMS) показала, что стопа динеина кардинально меняет форму при связывании с микротрубочкой. Эти изменения предполагают, что стопа действует как сенсор, координирующий движение мотора.

"По-настоящему захватывающе то, что изменение формы стопы при связывании каким-то образом сообщает 'головке' мотора, что происходит. Это открытие завершает картину того, как работает эта коммуникация", — пояснил Лешзинер.

Эта коммуникация критически важна, потому что без высокой координации "шагов" динеин просто упадет с микротрубочки, и его груз будет утерян. Для крупных клеток, таких как нейроны, протянувшиеся от позвоночника до стопы, доставка груза путем диффузии заняла бы годы. Микротрубочки служат "скоростными магистралями", а динеин и другие моторы — быстрыми курьерами.

Методология: крио-электронная микроскопия и моделирование

Для получения изображений исследователи использовали метод крио-электронной микроскопии (cryo-EM):

1. Смешали очищенные растворы динеиновых "стоп" и микротрубочек.
2. Поместили образец на наноструктурированную медную сетку и заморозили в стекловидный лед.
3. С помощью электронного микроскопа получили сотни изображений микротрубочек с присоединенными стопами в разных ракурсах.
4. Создали трехмерную модель связывания, используя вычислительные инструменты (аналогично принципу компьютерной томографии).

Используя эту новую модель и более ранние модели несвязанной стопы, ученые с помощью молекулярно-динамического моделирования показали, как стопа переходит из одного состояния в другое и обратно по мере движения мотора.

Экспериментальное подтверждение

Чтобы подтвердить модель, команда внесла в динеин мутации, которые, согласно симуляциям, должны были усилить связывание с микротрубочками. Предполагалось, что такой мотор будет проходить дальше по своему пути.

"Мы обнаружили, что он движется медленнее, но проходит гораздо дальше", — сказал первый автор Рохелио Антонио Эрнандес-Лопес.

Исследователи предполагают, что это может быть проблемой, так как динеин работает в паре с другими моторами, движущимися в противоположном направлении, в тонко настроенном "перетягивании каната". Динеин, который никогда не отпускает трассу, нарушит динамику системы.

Эволюционная загадка

Лешзинер отмечает эволюционный парадокс: динеин эволюционировал так, чтобы не связываться с трассой слишком прочно, хотя с точки зрения свойств мотора это неоптимально.

"Что интересно, динеин оптимален с точки зрения своей функции в клетке, но это означает быть субоптимальным с точки зрения его моторных свойств", — заключил ученый.