Динеины представляют собой семейство цитоскелетных моторных белков , которые перемещаются по микротрубочкам в клетках . Они преобразуют химическую энергию, запасенную в АТФ , в механическую работу . Динеин транспортирует различные клеточные грузы , обеспечивает силы и перемещения, важные для митоза , и управляет ритмом эукариотических ресничек и жгутиков . Все эти функции зависят от способности динеина двигаться к минусовому концу микротрубочек, известной как ретроградный транспорт ; поэтому их называют «двигателями с отрицательным концом». Напротив, большинство моторных белков кинезина движутся к плюсовому концу микротрубочек, что называется антероградным транспортом .
Динеины можно разделить на две группы: цитоплазматические динеины и аксонемальные динеины , которые также называют реснитчатыми или жгутиковыми динеинами.
Аксонемальный динеин вызывает скольжение микротрубочек в аксонемах ресничек и жгутиков и обнаруживается только в клетках, имеющих эти структуры.
Цитоплазматический динеин, обнаруженный во всех клетках животных и, возможно, также в растительных клетках, выполняет функции, необходимые для выживания клеток, такие как транспорт органелл и сборка центросом . [1] Цитоплазматический динеин процессивно движется вдоль микротрубочек; то есть тот или иной его стебель всегда прикреплен к микротрубочке, так что динеин может «пройти» значительное расстояние по микротрубочке, не отсоединяясь.
Цитоплазматический динеин помогает расположить комплекс Гольджи и другие органеллы в клетке. [1] Он также помогает транспортировать грузы, необходимые для функционирования клеток, такие как везикулы , образуемые эндоплазматической сетью , эндосомы и лизосомы (Карп, 2005). Динеин участвует в движении хромосом и расположении 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, динеиновый мотор также отвечает за ретроградный транспорт деградирующих эндосом в дендритах. [4]
Цитоплазматический динеин позиционирует веретено в месте цитокинеза , прикрепляясь к коре клетки и притягивая астральные микротрубочки, исходящие из центросомы . Будучи постдокторантом Массачусетского технологического института, 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 перебрасывает динеин на другую сторону клетки. Он делает это неоднократно, поэтому хромосомы оказываются в центре клетки, что необходимо для митоза. [5] [6] [7] [8] Почкующиеся дрожжи стали мощной моделью организма для изучения этого процесса и показали, что динеин нацеливается на плюс-концы астральных микротрубочек и доставляется в кору клеток посредством механизма разгрузки. [9] [10]
Динеин и кинезин могут использоваться вирусами для опосредования процесса репликации вируса. Многие вирусы используют транспортную систему микротрубочек для транспортировки нуклеиновых кислот/белковых ядер к внутриклеточным сайтам репликации после инвазии в клеточную мембрану. [11] О сайтах мотор-специфического связывания вирусов известно немного, но известно, что некоторые вирусы содержат богатые пролином последовательности (которые различаются между вирусами), которые при удалении уменьшают связывание динактина , транспорт аксонов (в культуре), и нейроинвазия in vivo. [12] Это предполагает, что богатые пролином последовательности могут быть основным сайтом связывания, который кооптирует динеин.
Каждая молекула динеинового мотора представляет собой сложную белковую сборку, состоящую из множества более мелких полипептидных субъединиц. Цитоплазматический и аксонемальный динеин содержат некоторые одинаковые компоненты, но они также содержат некоторые уникальные субъединицы.
Цитоплазматический динеин, имеющий молекулярную массу около 1,5 мегадальтон (МДа), представляет собой димер димеров, содержащий примерно двенадцать полипептидных субъединиц: две идентичные «тяжелые цепи» массой 520 кДа, которые содержат АТФазную активность и, таким образом, отвечают за создание движения вдоль микротрубочек; 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.
Генерирующая силу АТФазная активность каждой тяжелой цепи динеина расположена в ее большой «головке» в форме пончика, которая связана с другими белками ААА , в то время как два выступа от головки соединяют ее с другими цитоплазматическими структурами. Один выступ, спирально-спиральный стебель, прикрепляется к поверхности микротрубочки и «ходит» по ней посредством повторяющегося цикла отсоединения и повторного присоединения. Другой выступ, удлиненный хвост, связывается с легкой промежуточной, промежуточной и легкой субъединицами цепи, которые прикрепляют динеин к ее грузу. Переменная активность парных тяжелых цепей в полном цитоплазматическом динеиновом моторе позволяет одной молекуле динеина транспортировать свой груз, «проходя» на значительное расстояние вдоль микротрубочки, не отделяясь полностью.
В апо-состоянии динеина мотор не содержит нуклеотидов, кольцо домена ААА существует в открытой конформации [14] , а MTBD существует в состоянии высокого сродства. [15] Многое о доменах ААА остается неизвестным, [16] но ААА1 хорошо известен как основной сайт гидролиза АТФ в динеине. [17] Когда АТФ связывается с ААА1, он инициирует конформационное изменение кольца домена ААА в «закрытую» конфигурацию, перемещение контрфорса [14] и конформационное изменение в линкере. [18] [19] Линкер изгибается и смещается от ААА5 к ААА2, оставаясь при этом связанным с ААА1. [14] [19] Одна прикрепленная к стеблю альфа -спираль тянется за контрфорс, сдвигая спираль на половину гептадного повтора относительно ее партнера по спирали, [15] [20] и перегибая стебель. [14] В результате MTBD динеина переходит в состояние низкого сродства, 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 высокого сродства и повторно связывает MT, запуская рабочий ход. [23] Линкер возвращается в прямую конформацию и возвращается к ААА5 от ААА2 [24] [25] и создает рычажное действие, [26] вызывая наибольшее смещение динеина, достигаемое при рабочем ударе [18] Цикл завершается. с выпуском ADP, который возвращает кольцо домена AAA обратно в «открытую» конфигурацию. [22]
Дрожжевой динеин может перемещаться по микротрубочкам, не отделяясь, однако у многоклеточных животных цитоплазматический динеин должен активироваться путем связывания динактина , другого многосубъединичного белка, необходимого для митоза , и карго-адаптера. [27] Трикомплекс, включающий динеин, динактин и адаптер груза, является сверхпроцессивным и может преодолевать большие расстояния, не отделяясь, чтобы достичь внутриклеточного пункта назначения груза. Идентифицированные на данный момент грузовые адаптеры включают BicD2 , Hook3 , FIP3 и Spindly. [27] Легкая промежуточная цепь, которая является членом суперсемейства Ras , опосредует прикрепление нескольких грузовых адаптеров к динеиновому мотору. [28] Другие хвостовые субъединицы также могут способствовать этому взаимодействию, о чем свидетельствует структура с низким разрешением динеин-динактин-BicD2. [29]
Одной из основных форм моторной регуляции динеина внутри клеток является динактин. Он может потребоваться практически для всех функций цитоплазматического динеина. [30] В настоящее время это наиболее изученный партнер динеина. Динактин представляет собой белок, который способствует внутриклеточному транспорту по клетке путем связывания с цитоплазматическим динеином. Динактин может функционировать как каркас для связывания других белков. Он также действует как фактор рекрутирования, который локализует динеин там, где он должен быть. [31] [32] Есть также некоторые данные, свидетельствующие о том, что он может регулировать кинезин-2. [33] Динактиновый комплекс состоит из более чем 20 субъединиц, [29] из которых p150 (склеенный) является крупнейшим. [34] Не существует окончательных доказательств того, что динактин сам по себе влияет на скорость мотора. Однако это влияет на производительность двигателя. [35] Регуляция связывания, вероятно, является аллостерической: эксперименты показали, что улучшение процессивности динеинового мотора не зависит от домена связывания субъединицы p150 с микротрубочками. [36]
Аксонемальные динеины существуют в нескольких формах, которые содержат одну, две или три неидентичные тяжелые цепи (в зависимости от организма и местоположения в ресничке ) . Каждая тяжелая цепь имеет глобулярный моторный домен со структурой в форме пончика, которая, как считается, напоминает структуру других белков ААА , спиральный «стебель», который связывается с микротрубочкой, и удлиненный хвост (или «стержень»), который прикрепляется к соседней тяжелой цепи. микротрубочка той же аксонемы . Таким образом, каждая молекула динеина образует поперечный мостик между двумя соседними микротрубочками цилиарной аксонемы. Во время «силового удара», вызывающего движение, моторный домен ААА-АТФазы претерпевает конформационные изменения, которые заставляют ножку, связывающую микротрубочки, поворачиваться относительно хвоста, связывающего груз, в результате чего одна микротрубочка скользит относительно другой (Карп, 2005). Это скольжение вызывает изгибающее движение, необходимое ресничкам для удара и приведения в движение клетки или других частиц. Группы молекул динеина, ответственные за движение в противоположных направлениях, вероятно, активируются и инактивируются скоординированным образом, так что реснички или жгутики могут двигаться вперед и назад. Радиальная спица была предложена в качестве (или одной из) структур, синхронизирующих это движение.
Регуляция активности аксонемального динеина имеет решающее значение для частоты биения жгутиков и формы волны ресничек. Способы регуляции аксонемного динеина включают фосфорилирование, окислительно-восстановительный процесс и кальций. Механические силы на аксонеме также влияют на функцию аксонемного динеина. Тяжелые цепи внутреннего и внешнего плеч аксонемального динеина фосфорилируются/дефосфорилируются, чтобы контролировать скорость скольжения микротрубочек. Тиоредоксины , связанные с другими плечами динеина аксонемы, окисляются/восстанавливаются, чтобы регулировать место связывания динеина в аксонеме. Центрин и компоненты внешних аксонемальных динеинов обнаруживают колебания концентрации кальция. Колебания кальция играют важную роль в изменении формы волн ресничек и частоты биений жгутиков (King, 2012). [37]
Белок, ответственный за движение ресничек и жгутиков, был впервые обнаружен и назван динеином в 1963 г. (Карп, 2005). 20 лет спустя был выделен и идентифицирован цитоплазматический динеин, существование которого подозревалось с момента открытия жгутикового динеина (Karp, 2005).
Расхождение гомологичных хромосом к противоположным полюсам клетки происходит во время первого деления мейоза . Правильная сегрегация необходима для производства гаплоидных продуктов мейоза с нормальным набором хромосом. Образование хиазм (событий кроссоверной рекомбинации), по-видимому, обычно способствует правильной сегрегации. Однако у делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe , когда хиазмы отсутствуют, динеин способствует сегрегации. [38] Dhc1, моторная субъединица динеина, необходима для хромосомной сегрегации как при наличии, так и при отсутствии хиазм. [38] Белок Dlc1 легкой цепи динеина также необходим для сегрегации, особенно когда хиазмы отсутствуют.