Neurone, koji su odgovorni za proizvodnju signala koji na kraju pokreću radnju kao što je govor ili pomeranje mišića, grade i održavaju klase motornih proteina koji transportuju molekularni teret duž izduženih staza zvanih mikrotubule. Tim istraživača koji je predvodio Penn State otkrio je kako se dve glavne grupe motornih proteina takmiče u transportu tereta u suprotnim smerovima između tela ćelije i sinapse u neuronima.
Kroz fluorescentnu mikroskopiju sa jednim molekulom i računarsko modeliranje, grupa je istraživala kako tri klase jednog tipa motornog proteina, poznatog kao kinezini, stupaju u kontakt sa drugom vrstom motora, dineinom, tokom transporta tereta. Njihova otkrića, objavljena u eLife-u, mogu pomoći naučnicima da bolje razumeju normalan proces transporta tereta i, u budućem radu, informišu kako je poremećen u slučaju neurodegenerativnih bolesti, kao što je Alchajmerova bolest.
„Kinezin i dinein se kreću duž mikrotubula, koje su preko 1.000 puta manje od komada kose“, rekao je korespondentni autor Vilijam Henkok, profesor biomedicinskog inženjerstva (BME) u Penn State-u. „Zbog strukturnog polariteta mikrotubula, kinezinski motori se vezuju za teret i povlače ga u jednom pravcu, noseći ga prema sinapsi, dok se dineini vezuju i kreću u suprotnom smeru, nazad do tela ćelije neurona. Kada oba motora kada se istovremeno vežu za teret, dolazi do takmičenja između dva motora, a način na koji svaki radi određuje koliko brzo i u kom pravcu će teret putovati.“
Postoji desetak različitih vrsta transportnih kinezina podeljenih u tri porodice, dok postoji samo jedna vrsta transportnog dineina. Istraživači su uzeli po jedan kinezin motor iz svake od tri porodice i povezali ga sa dineinom. Koristeći fluorescentnu mikroskopiju sa jednim molekulom – gde naučnici posmatraju pojedinačne, fluorescentno obeležene proteine i molekule DNK koristeći kamere i sočiva velike snage – posmatrali su kako se proteini kreću duž mikrotubula.
„Svaki kinesin motor je kao različit tip automobila na putu: jedan je trkački automobil, jedan je SUV, jedan je kamion“, rekao je Hancock. „Neki kinezin motori se kreću na kratke udaljenosti, neki se kreću na velike udaljenosti, neki brže, a neki sporije. Pošto motori rade toliko različito jedan od drugog u izolaciji, bili smo iznenađeni onim što smo pronašli kada smo ih spojili zajedno sa dineinom.“
Uprkos njihovim očiglednim razlikama, istraživači su otkrili da su sva tri tipa kinezina delovala jednako protiv dineina: svi su efikasno izdržali ometajuća opterećenja dineina.
Da bi bolje razumeli osnovni mehanizam, istraživači su uzeli svoje eksperimentalne rezultate i razvili računarski model, koji je pokazao da tri tipa kinezina koriste različite pristupe za nadmetanje protiv dineina.
Kinesin-1 motori se stalno povlače prema dineinu, odvajajući se relativno retko od staze mikrotubula, ali je potrebno neko vreme da se pričvrste nazad. Kinesin-3 motori se lako odvajaju kada se povlače protiv dineina, ali se brzo pričvršćuju nazad na stazu mikrotubula, potrebno je samo milisekunda da ponovo počnu da se kreću. Kinezin-2 motori pokazuju kombinaciju ponašanja kinezina-1 i -3.
Eksperimentalni rezultati ukazuju da mehanička svojstva kinezina nisu ono što određuje pravac i brzinu transporta tereta; nešto drugo je u igri.
„Nalaz da se kinezin-3 motori ponovo vezuju za svoju stazu u roku od milisekunde je upečatljiv, i želimo da potvrdimo i razumemo biofizičke mehanizme koji su u osnovi ovog brzog ponovnog spajanja“, rekao je Hancock. „Takođe planiramo da pogledamo regulaciju molekula adaptera koji povezuju proteinske motore sa njihovim teretom, kao i mehaničku krutost tereta, da vidimo da li ti faktori igraju ulogu.“
Da bi to uradili, istraživači će staviti motore pod različita mehanička opterećenja povezujući ih sa proteinima sa dužim i dužim delovima DNK, dok će analizirati njihovo kretanje pod mikroskopom.
Razumevanje intracelularnog transportnog sistema, kao i njegove ranjivosti na mutacije, može pomoći naučnicima da napreduju u proučavanju neurodegenerativnih stanja kao što su Alchajmerova bolest, Hantingtonova bolest i Lu Gerigova bolest.
„Jasno je da su defekti intracelularnog transporta važni aspekti neurodegenerativnih bolesti, ali osnovni mehanizmi i kako defekti transporta doprinose patologiji nisu jasni“, rekao je Hancock. „Sa ovim novim uvidom u motoričke mehanizme kinezina, nadamo se da ćemo protumačiti kako mutacije utiču na njegovu transportnu sposobnost i na taj način ugrožavaju zdravlje neurona.“
