Моторные белки по-разному работают в команде

Исследователи из Университета Райса создали клеточную систему для изучения того, как изменение кооперативных функций моторных белков регулирует транспорт органелл.

Исследование, проведённое в лаборатории биоинженера и химика Майкла Диля, сравнило коллективное поведение кинезина-1 и миозинаVa в живых клетках, чтобы определить, как эти белки-двигатели совместно перемещают везикулы и органеллы по внутриклеточным «шоссе» — цитоскелетным филаментам. Эти транспортные процессы критически важны для многих функций развития и сигналинга в клетках, а нарушения в работе моторных белков связаны с рядом заболеваний человека.

Работа опубликована на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Диль и его коллеги сравнили коллективный ответ моторных белков на изменения в их количестве и размере груза. Ранее они хорошо изучили коллективную тяговую силу кинезинов — белков, которые «шагают» по микротрубочкам, транспортируя грузы. В прошлых экспериментах они использовали полистироловые шарики в качестве искусственного груза, но в этот раз решили модифицировать органеллы — пероксисомы — внутри живых клеток.

«Наша предыдущая работа была детальной и точной, но ключевое ограничение заключалось в том, что моторы транспортировали не настоящий груз», — пояснил Диль. В отличие от жёстких шариков, многие органеллы, такие как пероксисомы, имеют жидкую липидную мембрану. Моторы, прикреплённые к их поверхности, взаимодействуют иначе, чем на пластиковых шариках. Кроме того, физическую среду внутри живой клетки сложно воспроизвести в условиях in vitro, что также может влиять на кооперацию моторов.

Используя генетически модифицированные клетки COS, команда присоединила моторные белки к пероксисомам с помощью белкового переключателя. Регулируя экспрессию соответствующих генов, учёные могли настраивать плотность моторов на поверхности пероксисом, а также распределение их размеров.

Это позволило оценить, как коллективное поведение кинезина и миозинаVa реагирует на изменения в количестве моторов и на зависящие от размера силы, которые цитоплазма оказывает на пероксисомы. В отличие от кинезинов, было показано, что грузы движутся быстрее при изменении уровня миозинаVa, и системы миозина легче способны создавать силу, необходимую для перемещения крупных грузов в живых клетках.

«Кинезины похожи на скаковых лошадей, которые умеют только быстро бежать, — сказал Диль. — Они не любят работать в команде для транспортировки грузов, и обычно всю работу выполняет один кинезин. Миозины же больше похожи на лошадей, запряжённых в дилижанс. Если добавить больше лошадей, вы получите больше силы и скорости. Это различие важно, поскольку предполагает, что коллективные функции миозинаVa можно регулировать более тонко, чем у кинезинов».

Кинезин и миозинVa одновременно связаны с поверхностью многих органелл. Их коллективная способность производить силу и реакция транспорта груза на изменение количества моторов влияют на перемещение грузов в разные области клетки. «Клетке необходимо регулировать эту конкуренцию, и, возможно, полезно иметь один мотор (кинезин), который силён по отдельности, но не способен к кооперации, и другой мотор, который может быть слабым индивидуально, но обладает сильным кооперативным эффектом», — отметил Диль.

Полученные результаты открывают новое окно в изучение клеточных механизмов. «Теперь, когда мы можем исследовать детальные взаимосвязи между типом мотора, его соотношением, размером груза и силой, мы можем начать непосредственно изучать более сложные коллективные и регуляторные поведения», — сказал Диль. Учёные надеются смоделировать ситуации, когда на поверхности грузов одновременно находятся нормальные моторы и мутантные формы, связанные с нейродегенеративными заболеваниями, чтобы точно изучить, как эти мутации нарушают внутриклеточные транспортные пути.