Микроскопические колесницы доставляют молекулы внутрь наших клеток

Двигательные белки, называемые динеины, управляют доставкой молекул в нашем организме. Динеины «путешествуют» по структурам, называемым микротрубочками, для доставки микро-грузов, таких как сигнальные молекулы и органеллы*, в разные части клеток. Без работы динеина клетки не могут правильно делиться, и у людей могут развиваться неврологические заболевания.

Новое исследование, появившееся в журнале Nature Structural & Molecular Biology, представляет собой первую трехмерную (3D) визуализацию комплекса Dynein-Dynactin, связанного с микротрубочками. Ученые из Научно-исследовательского института Scripps (TSRI) сообщают, что белок под названием Динактин объединяет два динеина вместе, как ярмо, фиксирующее пару лошадей.

«Если вы хотите, чтобы группа лошадей двигалась в одном направлении, вам нужно выровнять их», — говорит Габриэль К. Ландер, доктор философии, профессор TSRI и старший автор исследования. «Это то, что динактин делает для молекул динеина».

Понимание того, как комплекс Dynein-Dynactin собирается и организовывается, является важной основой для объяснения основных причин некоторых связанных с динеином нейродегенеративных заболеваний, таких как атрофия спинного мозга (SMA) и болезнь Шарко-Мари-Зуба (CMT).

Исследователи знали, что динактину требуется, чтобы динеин перемещал груз, и они изо всех сил пытались получить полную картину того, как разные части комплекса работали вместе.

«Мы знали, что динеин становится активным только тогда, когда он связывается с партнером под названием динактин. Проблема заключалась в том, что исторически трудно было увидеть эту структуру, потому что она очень гибкая и динамичная», — объясняет Даниэль Гротьян, аспирантка TSRI и автор исследования. «Нам нужно было визуализировать эти комплексы, чтобы основательно понять, как все это работает для транспортировки молекул».

Для нового исследования ученые использовали метод визуализации, называемый криоэлектронной томографией, который аналогичен компьютерной томографии белка, для создания 3D-реконструкции или томограммы. Чтобы увеличить разрешение и ясность этих томограмм, исследователи использовали передовые вычислительные алгоритмы для усреднения многих отдельных белковых комплексов.

Однако в этом случае современные методы обработки не смогли создать четкую, интерпретируемую трехмерную структуру чрезвычайно гибкого комплекса Dynein-Dynactin.

Даниэль Гротьян знала, что необходимая информация скрыта в томограммах, поэтому она разработала новую стратегию для идентификации конкретных компонентов комплекса dynein-dynactin. Этот подход помог разработать программное обеспечение для обработки изображений для реконструкции всего комплекса, связанного с микротрубочками.

«Даниэль сделала первый большой шаг для вычислительных алгоритмов, — говорит Ландер.

С их новой, детальной структурой исследователи заметили удивительную особенность: в комплексе есть две молекулы динеина, когда они ожидали увидеть только одну. Это означает, что каждый динеин имеет два моторных домена, комплекс Dynein-Dynactin имеет четыре общих «двигателя».

«Это открытие было совершенно неожиданным и изменит то, как этот комплекс представлен в учебниках по клеточной биологии и биохимии», — говорит Сайкат Чоудхури, научный сотрудник TSRI и один из авторов исследования.

«Проходили годы биофизических и биохимических экспериментов, и всегда считалось, что существует только одна молекула динеина», — добавляет Ландер.

Исследователи также могли видеть, где находится динактин. Они обнаружили, что молекула объединяет команду моторных доменов и активирует их способность двигаться по микротрубочкам. Это открытие помогает объяснить, как динеин может тянуть большие нагрузки, такие как органеллы, которые намного больше, чем они сами, на большие расстояния.

Подход к обработке изображений, используемый в этом исследовании, может быть чрезвычайно полезен для решения структур других крупных гибких белков.

«По мере того, как мы узнаем больше о трехмерной организации и архитектуре этих молекулярных машин, мы будем лучше подготовлены, чтобы понять, как сбой в их работе может сказываться на болезнях».

*Органелла — это крошечная клеточная структура, которая выполняет определенные функции внутри клетки.

Больше информации: Danielle A. Grotjahn et al, Cryo-electron tomography reveals that dynactin recruits a team of dyneins for processive motility, Nature Structural & Molecular Biology (2018). DOI: 10.1038/s41594-018-0027-7