Движение нейронов вызвано толканием и тягой моторных белков

Нейроны, ответственные за сигналы, запускающие действия, строятся и поддерживаются моторными белками, которые транспортируют молекулярный груз по микротрубочкам. Исследователи из Университета Пенсильвании выяснили, как две основные группы моторных белков конкурируют за транспортировку груза в противоположных направлениях между телом клетки и синапсом.

С помощью флуоресцентной микроскопии одиночных молекул и компьютерного моделирования группа изучила, как три класса моторного белка кинезина взаимодействуют с другим моторным белком — динеином — во время транспорта груза. Результаты, опубликованные в eLife, помогут лучше понять нормальный процесс транспорта и, в будущем, его нарушения при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера.

"Кинезин и динеин движутся по микротрубочкам. Из-за структурной полярности микротрубочек кинезины тянут груз в сторону синапса, а динеины — в обратном направлении, к телу нейрона. Когда оба мотора связываются с грузом одновременно, возникает конкуренция", — пояснил автор исследования Уильям Хэнкок.

Существует около дюжины типов транспортных кинезинов, разделённых на три семейства, и только один тип транспортного динеина. Исследователи взяли по одному кинезину из каждого семейства и соединили его с динеином. Наблюдая за движением белков с помощью микроскопии, они обнаружили, что, несмотря на различия в изоляции, все три типа кинезина одинаково эффективно противостояли нагрузке со стороны динеина.

Компьютерная модель показала, что три типа кинезина используют разные стратегии конкуренции с динеином:

• Кинезин-1 тянет груз стабильно, редко отсоединяется от микротрубочки, но долго присоединяется обратно.
• Кинезин-3 легко отсоединяется под нагрузкой, но очень быстро (за миллисекунду) присоединяется снова.
• Кинезин-2 демонстрирует комбинацию поведений первых двух.

Экспериментальные результаты показывают, что не механические свойства кинезина определяют направление и скорость транспорта груза.

"Мы хотим подтвердить и понять биофизические механизмы, лежащие в основе быстрого повторного присоединения кинезина-3. Также мы планируем изучить роль регуляции адаптерных молекул и механической жёсткости самого груза", — сказал Хэнкок.

Для этого исследователи будут подвергать моторы разной механической нагрузке, соединяя их с белками через всё более длинные фрагменты ДНК.

Понимание внутриклеточной транспортной системы и её уязвимости к мутациям может помочь в изучении нейродегенеративных заболеваний. "Мы надеемся, что эти новые данные о механизмах работы кинезина помогут интерпретировать, как мутации влияют на его транспортную способность и, тем самым, нарушают здоровье нейронов", — заключил Хэнкок.