stringtranslate.com

Динеин

Цитоплазматический динеин на микротрубочке

Динеины — это семейство цитоскелетных моторных белков , которые перемещаются вдоль микротрубочек в клетках . Они преобразуют химическую энергию, запасенную в АТФ, в механическую работу . Динеин транспортирует различные клеточные грузы , обеспечивает силы и смещения, важные для митоза , и управляет биением ресничек и жгутиков эукариот . Все эти функции основаны на способности динеина перемещаться к минус-концу микротрубочек, что известно как ретроградный транспорт ; таким образом, их называют «моторами, направленными к минус-концу». Напротив, большинство моторных белков кинезина перемещаются к плюс-концу микротрубочек, что называется антероградным транспортом .

Классификация

Динеины можно разделить на две группы: цитоплазматические динеины и аксонемальные динеины , которые также называют ресничными или жгутиковыми динеинами.

Функция

Аксонемальный динеин вызывает скольжение микротрубочек в аксонемах ресничек и жгутиков и обнаруживается только в клетках, имеющих такие структуры .

Цитоплазматический динеин, обнаруженный во всех клетках животных и, возможно, также в клетках растений, выполняет функции, необходимые для выживания клеток, такие как транспорт органелл и сборка центросом . [1] Цитоплазматический динеин движется поступательно вдоль микротрубочки; то есть, один или другой его стебель всегда прикреплен к микротрубочке, так что динеин может «пройти» значительное расстояние вдоль микротрубочки, не отсоединяясь.

Цитоплазматический динеин помогает позиционировать комплекс Гольджи и другие органеллы в клетке. [1] Он также помогает транспортировать груз, необходимый для функционирования клетки, такой как везикулы, созданные эндоплазматическим ретикулумом , эндосомы и лизосомы (Карп, 2005). Динеин участвует в перемещении хромосом и позиционировании митотических веретен для деления клеток. [2] [3] Динеин переносит органеллы, везикулы и, возможно , фрагменты микротрубочек вдоль аксонов нейронов к телу клетки в процессе, называемом ретроградным аксональным транспортом . [1] Кроме того, мотор динеина также отвечает за транспорт деградирующих эндосом ретроградно в дендритах. [4]

Позиционирование митотического веретена

Цитоплазматический динеин позиционирует веретено в месте цитокинеза , прикрепляясь к клеточному кортексу и натягивая астральные микротрубочки, исходящие из центросомы . Будучи постдокторантом в Массачусетском технологическом институте, Томоми Киёмицу обнаружил, что динеин играет роль моторного белка в выравнивании хромосом в середине клетки во время метафазы митоза. Динеин тянет микротрубочки и хромосомы к одному концу клетки. Когда конец микротрубочек приближается к клеточной мембране, они высвобождают химический сигнал, который выталкивает динеин на другую сторону клетки. Он делает это неоднократно, поэтому хромосомы оказываются в центре клетки, что необходимо при митозе. [5] [6] [7] [8] Почкующиеся дрожжи были мощным модельным организмом для изучения этого процесса и показали, что динеин нацелен на плюс-концы астральных микротрубочек и доставляется в клеточный кортекс через механизм разгрузки. [9] [10]

Репликация вируса

Динеин и кинезин могут использоваться вирусами для опосредования процесса вирусной репликации. Многие вирусы используют систему транспорта микротрубочек для транспортировки ядер нуклеиновой кислоты/белка к внутриклеточным сайтам репликации после вторжения в клеточную мембрану. [11] О сайтах связывания вирусов, специфичных для моторов, известно немного, но известно, что некоторые вирусы содержат последовательности, богатые пролином (которые расходятся между вирусами), которые при удалении снижают связывание динактина , транспорт аксонов (в культуре) и нейроинвазию in vivo. [12] Это говорит о том, что последовательности, богатые пролином, могут быть основным сайтом связывания, который поглощает динеин.

Структура

Домены человеческого цитоплазматического динеина 2. Показан порядок областей интереса для доменов мотора человеческого цитоплазматического динеина 2, как они происходят от линкера к С-концу. Это направлено на демонстрацию общего связанного положения динеина на микротрубочке. Зеркальный эффект позволяет наблюдать динеин с обеих сторон комплекса. [13]

Каждая молекула мотора динеина представляет собой сложную белковую сборку, состоящую из множества более мелких полипептидных субъединиц. Цитоплазматический и аксонемальный динеин содержат некоторые из тех же компонентов, но они также содержат некоторые уникальные субъединицы.

Цитоплазматический динеин

Цитоплазматический динеин, молекулярная масса которого составляет около 1,5  мегадальтон (МДа), представляет собой димер димеров, содержащий около двенадцати полипептидных субъединиц: две идентичные «тяжелые цепи» массой 520 кДа, которые содержат активность АТФазы и, таким образом, отвечают за создание движения вдоль микротрубочки; две промежуточные цепи массой 74 кДа, которые, как полагают, прикрепляют динеин к его грузу; две легкие промежуточные цепи массой 53–59 кДа; и несколько легких цепей.

Активность АТФазы, генерирующая силу, каждой тяжелой цепи динеина находится в ее большой «голове» в форме пончика, которая связана с другими белками AAA , в то время как два выступа от головки соединяют ее с другими цитоплазматическими структурами. Один выступ, спирально-спиральный стебель, связывается с поверхностью микротрубочки и «прогуливается» по ней посредством повторяющегося цикла отсоединения и повторного присоединения. Другой выступ, удлиненный хвост, связывается с легкими промежуточными, промежуточными и легкими субъединицами цепи, которые прикрепляют динеин к его грузу. Чередующаяся активность парных тяжелых цепей в полном цитоплазматическом моторе динеина позволяет одной молекуле динеина транспортировать свой груз, «проходя» значительное расстояние вдоль микротрубочки, не отсоединяясь полностью.

В апо-состоянии динеина мотор свободен от нуклеотидов, кольцо домена AAA существует в открытой конформации, [14] а MTBD существует в состоянии высокой аффинности. [15] Многое о доменах AAA остается неизвестным, [16] но AAA1 хорошо известен как основной участок гидролиза АТФ в динеине. [17] Когда АТФ связывается с AAA1, он инициирует конформационное изменение кольца домена AAA в «закрытую» конфигурацию, перемещение опоры, [14] и конформационное изменение в линкере. [18] [19] Линкер изгибается и смещается от AAA5 к AAA2, оставаясь связанным с AAA1. [14] [19] Одна прикрепленная альфа -спираль от стебля вытягивается опорой, сдвигая спираль на половину гептадного повтора относительно ее партнера по спиральной спирали, [15] [20] и изгибая стебель. [14] В результате MTBD динеина переходит в состояние с низким сродством, позволяя мотору перемещаться к новым сайтам связывания. [21] [22] После гидролиза АТФ стебель вращается, перемещая динеин дальше вдоль МТ. [18] После высвобождения фосфата MTBD возвращается в состояние с высоким сродством и повторно связывает МТ, запуская рабочий ход. [23] Линкер возвращается в прямую конформацию и поворачивается обратно к AAA5 от AAA2 [24] [25] и создает рычажное действие, [26] производя наибольшее смещение динеина, достигаемое рабочим ходом [18] Цикл завершается высвобождением АДФ, который возвращает кольцо домена AAA обратно в «открытую» конфигурацию. [22]

Дрожжевой динеин может перемещаться по микротрубочкам без отсоединения, однако у метазоа цитоплазматический динеин должен быть активирован связыванием динактина , другого многосубъединичного белка, необходимого для митоза , и адаптера груза. [27] Трикомплекс, включающий динеин, динактин и адаптер груза, является ультрапроцессивным и может перемещаться на большие расстояния без отсоединения, чтобы достичь внутриклеточного места назначения груза. Адаптеры груза, идентифицированные на данный момент, включают BicD2 , Hook3 , FIP3 и Spindly. [27] Легкая промежуточная цепь, которая является членом суперсемейства Ras , опосредует присоединение нескольких адаптеров груза к двигателю динеина. [28] Другие субъединицы хвоста также могут способствовать этому взаимодействию, как показано в структуре низкого разрешения динеин-динактин-BicD2. [29]

Одной из основных форм регуляции моторики внутри клеток для динеина является динактин. Он может быть необходим почти для всех функций цитоплазматического динеина. [30] В настоящее время это наиболее изученный партнер динеина. Динактин — это белок, который помогает во внутриклеточном транспорте по всей клетке, связываясь с цитоплазматическим динеином. Динактин может функционировать как каркас для связывания других белков. Он также функционирует как фактор рекрутинга, который локализует динеин там, где ему следует быть. [31] [32] Также есть некоторые данные, предполагающие, что он может регулировать кинезин-2. [33] Комплекс динактина состоит из более чем 20 субъединиц, [29] из которых p150 (Glued) является самой большой. [34] Нет окончательных доказательств того, что динактин сам по себе влияет на скорость мотора. Однако он влияет на процессивность мотора. [35] Регуляция связывания, вероятно, аллостерическая: эксперименты показали, что улучшения, обеспечиваемые в процессивности мотора динеина, не зависят от домена связывания субъединицы p150 с микротрубочками. [36]

Аксонемальный динеин

Поперечное сечение аксонемы с аксонемальными динеиновыми плечами.

Аксонемальные динеины существуют в нескольких формах, которые содержат одну, две или три неидентичные тяжелые цепи (в зависимости от организма и расположения в ресничке ) . Каждая тяжелая цепь имеет глобулярный моторный домен со структурой в форме пончика, которая, как полагают, напоминает структуру других белков AAA , спиральный «стебель», который связывается с микротрубочкой, и удлиненный хвост (или «ствол»), который прикрепляется к соседней микротрубочке той же аксонемы . Таким образом, каждая молекула динеина образует поперечный мостик между двумя соседними микротрубочками цилиарной аксонемы. Во время «силового удара», который вызывает движение, моторный домен AAA-АТФазы претерпевает конформационное изменение, которое заставляет связывающий микротрубочки стебель поворачиваться относительно связывающего груз хвоста, в результате чего одна микротрубочка скользит относительно другой (Karp, 2005). Это скольжение создает изгибающее движение, необходимое ресничкам для удара и продвижения клетки или других частиц. Группы молекул динеина, ответственные за движение в противоположных направлениях, вероятно, активируются и дезактивируются скоординированно, так что реснички или жгутики могут двигаться вперед и назад. Радиальная спица была предложена как (или одна из) структур, которая синхронизирует это движение.

Регуляция активности аксонемального динеина имеет решающее значение для частоты биения жгутиков и формы волны ресничек. Режимы регуляции аксонемального динеина включают фосфорилирование, окислительно-восстановительный и кальциевый. Механические силы на аксонеме также влияют на функцию аксонемального динеина. Тяжелые цепи внутренних и внешних плеч аксонемального динеина фосфорилируются/дефосфорилируются для контроля скорости скольжения микротрубочек. Тиоредоксин, связанный с другими плечами аксонемального динеина, окисляется/восстанавливается для регулирования того, где динеин связывается в аксонеме. Центрин и компоненты внешних плеч аксонемального динеина обнаруживают колебания концентрации кальция. Колебания кальция играют важную роль в изменении формы волны ресничек и частоты биения жгутиков (King, 2012). [37]

История

Белок, отвечающий за движение ресничек и жгутиков, был впервые обнаружен и назван динеином в 1963 году (Карп, 2005). 20 лет спустя был выделен и идентифицирован цитоплазматический динеин, существование которого предполагалось с момента открытия жгутикового динеина (Карп, 2005).

Расхождение хромосом во время мейоза

Расхождение гомологичных хромосом на противоположные полюса клетки происходит во время первого деления мейоза . Правильное расхождение необходимо для получения гаплоидных мейотических продуктов с нормальным набором хромосом. Образование хиазм (события кроссоверной рекомбинации), по-видимому, в целом способствует правильному расхождению. Однако у делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe при отсутствии хиазм динеин способствует расхождению. [38] Dhc1, моторная субъединица динеина, необходима для расхождения хромосом как при наличии, так и при отсутствии хиазм. [38] Белок легкой цепи динеина Dlc1 также необходим для расхождения, особенно при отсутствии хиазм.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Карп Г., Бегиннен К., Фогель С., Кульманн-Криг С. (2005). Molekulare Zellbiologie (на французском языке). Спрингер. ISBN 978-3-540-23857-7.
  2. ^ Samora CP, Mogessie B, Conway L, Ross JL, Straube A, McAinsh AD (август 2011 г.). «MAP4 и CLASP1 действуют как механизм безопасности для поддержания стабильного положения веретена в митозе». Nature Cell Biology . 13 (9): 1040–50. doi :10.1038/ncb2297. PMID  21822276. S2CID  8869880.
  3. ^ Kiyomitsu T, Cheeseman IM (февраль 2012 г.). «Сигналы, полученные от полюсов хромосомы и веретена, генерируют внутренний код для положения и ориентации веретена». Nature Cell Biology . 14 (3): 311–7. doi :10.1038/ncb2440. PMC 3290711 . PMID  22327364. 
  4. ^ Yap CC, Digilio L, McMahon LP, Wang T, Winckler B (апрель 2022 г.). «Динеин необходим для зависимого от Rab7 созревания эндосом, ретроградного дендритного транспорта и деградации». The Journal of Neuroscience . 42 (22): 4415–4434. doi :10.1523/JNEUROSCI.2530-21.2022. PMC 9172292 . PMID  35474277. 
  5. ^ https://www.researchgate.net/publication/325479623_Dynein-Dynactin-NuMA_clusters_generate_cortical_spindle-pulling_forces_as_a_multi-arm_ensemble doi :10.7554/eLife.36559
  6. ^ Eshel D, Urrestarazu LA, Vissers S, Jauniaux JC, van Vliet-Reedijk JC, Planta RJ, Gibbons IR (декабрь 1993 г.). «Цитоплазматический динеин необходим для нормальной ядерной сегрегации у дрожжей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 90 (23): 11172–6. Bibcode : 1993PNAS...9011172E. doi : 10.1073/pnas.90.23.11172 . PMC 47944. PMID  8248224 . 
  7. ^ Li YY, Yeh E, Hays T, Bloom K (ноябрь 1993 г.). «Нарушение ориентации митотического веретена у мутанта дрожжевого динеина». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 90 (21): 10096–100. Bibcode :1993PNAS...9010096L. doi : 10.1073/pnas.90.21.10096 . PMC 47720 . PMID  8234262. 
  8. ^ Carminati JL, Stearns T (август 1997). «Микротрубочки ориентируют митотическое веретено у дрожжей посредством динеин-зависимых взаимодействий с клеточным кортексом». Журнал клеточной биологии . 138 (3): 629–41. doi :10.1083/jcb.138.3.629. PMC 2141630. PMID  9245791 . 
  9. ^ Lee WL, Oberle JR, Cooper JA (февраль 2003 г.). «Роль белка лиссэнцефалии Pac1 во время миграции ядер у почкующихся дрожжей». Журнал клеточной биологии . 160 (3): 355–64. doi :10.1083/jcb.200209022. PMC 2172672. PMID  12566428 . 
  10. ^ Lee WL, Kaiser MA, Cooper JA (январь 2005 г.). «Модель разгрузки для функции динеина: дифференциальная функция двигательных субъединиц». Журнал клеточной биологии . 168 (2): 201–7. doi :10.1083/jcb.200407036. PMC 2171595. PMID  15642746 . 
  11. ^ Валле-Тенни Р., Опазо Т., Кансино Дж., Гофф С.П., Арриагада Дж. (август 2016 г.). «Регуляторы динеина важны для заражения вирусом экотропного мышиного лейкоза». Журнал вирусологии . 90 (15): 6896–6905. дои : 10.1128/JVI.00863-16. ПМЦ 4944281 . ПМИД  27194765. 
  12. ^ Zaichick SV, Bohannon KP, Hughes A, Sollars PJ, Pickard GE, Smith GA (февраль 2013 г.). «Белок VP1/2 вируса герпеса является эффектором транспорта капсида, опосредованного динеином, и нейроинвазии». Cell Host & Microbe . 13 (2): 193–203. doi :10.1016/j.chom.2013.01.009. PMC 3808164 . PMID  23414759. 
  13. ^ PDB : 4RH7 ​; Carter AP (февраль 2013 г.). «Кристально ясное понимание того, как движется двигатель динеина». Journal of Cell Science . 126 (Pt 3): 705–13. doi : 10.1242/jcs.120725 . PMID  23525020.
  14. ^ abcd Schmidt H, Zalyte R, Urnavicius L, Carter AP (февраль 2015 г.). «Структура человеческого цитоплазматического динеина-2, подготовленного к его силовому удару». Nature . 518 (7539): 435–438. Bibcode :2015Natur.518..435S. doi :10.1038/nature14023. PMC 4336856 . PMID  25470043. 
  15. ^ ab Carter AP, Vale RD (февраль 2010 г.). «Связь между кольцом AAA+ и доменом связывания микротрубочек динеина». Биохимия и клеточная биология . 88 (1): 15–21. doi :10.1139/o09-127. PMC 2894566. PMID  20130675 . 
  16. ^ Kardon JR, Vale RD (декабрь 2009 г.). «Регуляторы цитоплазматического динеинового мотора». Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 10 (12): 854–65. doi :10.1038/nrm2804. PMC 3394690. PMID 19935668  . 
  17. ^ PDB : 1HN5 ​; Mocz G, Gibbons IR (февраль 2001 г.). «Модель для моторного компонента тяжелой цепи динеина на основе гомологии с семейством олигомерных АТФаз AAA». Структура . 9 (2). Лондон, Англия: 93–103. doi : 10.1016/S0969-2126(00)00557-8 . PMID  11250194.
  18. ^ abc Робертс А.Дж., Нумата Н., Уокер М.Л., Като Ю.С., Малкова Б., Кон Т., Окура Р., Арисака Ф., Найт П.Дж., Суто К., Берджесс С.А. (февраль 2009 г.). «Механизм качания кольца и линкера AAA + в динеиновом двигателе». Клетка . 136 (3): 485–95. дои : 10.1016/j.cell.2008.11.049. ПМК 2706395 . ПМИД  19203583. 
  19. ^ ab Робертс А.Дж., Малкова Б., Уокер М.Л., Сакакибара Х., Нумата Н., Кон Т., Окура Р., Эдвардс Т.А., Найт П.Дж., Суто К., Оива К., Берджесс С.А. (октябрь 2012 г.). «Ремоделирование линкерного домена в динеиновом моторе, вызванное АТФ». Структура . 20 (10): 1670–80. doi :10.1016/j.str.2012.07.003. ПМЦ 3469822 . ПМИД  22863569. 
  20. ^ Kon T, Imamula K, Roberts AJ, Ohkura R, Knight PJ, Gibbons IR, Burgess SA, Sutoh K (март 2009 г.). «Скольжение спирали в спиральной спирали стебля динеиновых пар связывает АТФазу и микротрубочки». Nature Structural & Molecular Biology . 16 (3): 325–33. doi :10.1038/nsmb.1555. PMC 2757048 . PMID  19198589. 
  21. ^ Carter AP (февраль 2013 г.). «Кристально ясное понимание того, как движется двигатель динеина». Journal of Cell Science . 126 (Pt 3): 705–13. doi : 10.1242/jcs.120725 . PMID  23525020.
  22. ^ ab Bhabha G, Cheng HC, Zhang N, Moeller A, Liao M, Speir JA, Cheng Y, Vale RD (ноябрь 2014 г.). «Аллостерическая связь в моторном домене динеина». Cell . 159 (4): 857–68. doi :10.1016/j.cell.2014.10.018. PMC 4269335 . PMID  25417161. 
  23. ^ Bhabha G, Johnson GT, Schroeder CM, Vale RD (январь 2016 г.). «Как динеин движется вдоль микротрубочек». Trends in Biochemical Sciences . 41 (1): 94–105. doi :10.1016/j.tibs.2015.11.004. PMC 4706479. PMID 26678005  . 
  24. ^ Gennerich A, Carter AP, Reck-Peterson SL, Vale RD (ноябрь 2007 г.). «Двунаправленное шагание цитоплазматического динеина под действием силы». Cell . 131 (5): 952–65. doi :10.1016/j.cell.2007.10.016. PMC 2851641 . PMID  18045537. 
  25. ^ Burgess SA, Knight PJ (апрель 2004 г.). «Является ли двигатель динеина лебедкой?». Current Opinion in Structural Biology . 14 (2): 138–46. doi :10.1016/j.sbi.2004.03.013. PMID  15093827.
  26. ^ Reck-Peterson SL, Yildiz A, Carter AP, Gennerich A, Zhang N, Vale RD (июль 2006 г.). «Анализ одиночной молекулы процессивности динеина и шагового поведения». Cell . 126 (2): 335–48. doi :10.1016/j.cell.2006.05.046. PMC 2851639 . PMID  16873064. 
  27. ^ ab McKenney RJ, Huynh W, Tanenbaum ME, Bhabha G, Vale RD (июль 2014 г.). «Активация подвижности цитоплазматического динеина комплексами адаптеров динактин-груз». Science . 345 (6194): 337–41. Bibcode :2014Sci...345..337M. doi :10.1126/science.1254198. PMC 4224444 . PMID  25035494. 
  28. ^ Schroeder CM, Ostrem JM, Hertz NT, Vale RD (октябрь 2014 г.). «Ras-подобный домен в легкой промежуточной цепи соединяет мотор динеина с областью связывания груза». eLife . 3 : e03351. doi : 10.7554/eLife.03351 . PMC 4359372 . PMID  25272277. 
  29. ^ ab Urnavicius L, Zhang K, Diamant AG, Motz C, Schlager MA, Yu M, Patel NA, Robinson CV, Carter AP (март 2015 г.). «Структура комплекса динактина и его взаимодействие с динеином». Science . 347 (6229): 1441–1446. Bibcode :2015Sci...347.1441U. doi :10.1126/science.aaa4080. PMC 4413427 . PMID  25814576. 
  30. ^ Карки С., Хольцбаур Э.Л. (февраль 1999 г.). «Цитоплазматический динеин и динактин в клеточном делении и внутриклеточном транспорте». Current Opinion in Cell Biology . 11 (1): 45–53. doi : 10.1016/S0955-0674(99)80006-4 . PMID  10047518.
  31. ^ Moughamian AJ, Osborn GE, Lazarus JE, Maday S, Holzbaur EL (август 2013 г.). «Упорядоченное привлечение динактина к плюс-концу микротрубочки необходимо для эффективного начала ретроградного аксонального транспорта». The Journal of Neuroscience . 33 (32): 13190–203. doi :10.1523/JNEUROSCI.0935-13.2013. PMC 3735891 . PMID  23926272. 
  32. ^ Moughamian AJ, Holzbaur EL (апрель 2012 г.). «Динактин необходим для инициации транспорта из дистального аксона». Neuron . 74 (2): 331–43. doi :10.1016/j.neuron.2012.02.025. PMC 3347924 . PMID  22542186. 
  33. ^ Березук MA, Шрер TA (февраль 2007). «Динактин усиливает процессивность кинезина-2». Traffic . 8 (2): 124–9. doi :10.1111/j.1600-0854.2006.00517.x. PMID  17181772. S2CID  46446471.
  34. ^ Schroer TA (8 октября 2004 г.). «Dynactin». Annual Review of Cell and Developmental Biology . 20 : 759–79. doi :10.1146/annurev.cellbio.20.012103.094623. PMID  15473859.
  35. ^ King SJ, Schroer TA (январь 2000). «Динактин увеличивает процессивность цитоплазматического динеинового мотора». Nature Cell Biology . 2 (1): 20–4. doi :10.1038/71338. PMID  10620802. S2CID  20349195.
  36. ^ Kardon JR, Reck-Peterson SL, Vale RD (апрель 2009 г.). «Регулирование процессивности и внутриклеточной локализации динеина Saccharomyces cerevisiae динактином». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (14): 5669–74. Bibcode : 2009PNAS..106.5669K. doi : 10.1073/pnas.0900976106 . PMC 2657088. PMID  19293377 . 
  37. ^ King SM (август 2012). «Интегрированное управление аксонемальными динеиновыми моторами AAA(+)». Журнал структурной биологии . 179 (2): 222–8. doi :10.1016/j.jsb.2012.02.013. PMC 3378790. PMID  22406539 . 
  38. ^ ab Davis L, Smith GR (июнь 2005 г.). «Динеин способствует ахиазматическому разделению в Schizosaccharomyces pombe». Genetics . 170 (2): 581–90. doi :10.1534/genetics.104.040253. PMC 1450395 . PMID  15802518. 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки