Ученые давно знают, что моторные белки, такие как кинезин-2, перевозят жизненно важный груз по микротрубочкам — своеобразным «магистралям» внутри клеток. Однако оставалось загадкой, как эти молекулярные транспортеры определяют нужный груз и связываются с ним. Новое исследование под руководством профессора Нобутаки Хирокавы дает ключ к разгадке этой головоломки.
Ученые разобрались, как работает логистика внутри клетки
Исследователи из Университета Джунтендо и Токийского университета впервые получили атомную структуру хвостовой части моторного белка кинезина-2 и выяснили, как он распознает и связывается с грузом внутри клеток. Открытие раскрывает «логистический код» клеточного транспорта и может помочь в разработке новых методов лечения нейродегенеративных заболеваний.
Ученые показали, что домен HAC специфически связывается с участком повторяющихся последовательностей ARM белка APC, который является супрессором опухолей и участвует в транспорте РНК в нейронах. Neuroscience News
Профессор Хирокава и его лаборатория впервые идентифицировали и охарактеризовали полное семейство моторных белков кинезинов у млекопитающих еще в 1980-х и 1990-х годах. Давно известно, как эти молекулярные «транспортные средства» движутся по цитоскелетным «магистралям» клетки, но оставалось неясным, как они определяют, что именно нужно транспортировать. Новые результаты впервые дают представление на атомном уровне об этом «логистическом коде» — молекулярных правилах, позволяющих каждому «транспортному средству» распознавать и доставлять специфический груз с удивительной точностью.
Используя криоэлектронную микроскопию и молекулярное моделирование, ученые реконструировали структуру комплекса кинезина-2, связанного с белком-грузом — APC. Ученые обнаружили уникальный структурный элемент в хвостовой части белка, названный HAC-доменом, который действует как молекулярный «крючок». Работа опубликована в журнале Science Advances.
Как моторные белки узнают, что они должны перевозить
(A) Криоэлектронная карта комплекса белка APC. Границы интерфейсов обозначены пунктирными рамками. Показаны два вида с разной ориентацией, относительное вращение которых указано. Масштабная линейка для 2D-изображений, 2 нм. (B) Объем связующей петли хвоста KIF3A, который виден на исходной карте ЭМ при более высоком пороговом значении контура, как указано стрелкой.
«Наше исследование обнаружило ранее неизвестный "крючок" — структурный элемент или HAC-домен, в хвосте моторного белка кинезина-2», — отметил профессор Хирокава. — «Этот домен действует как молекулярный "соединитель", который позволяет мотору правильно распознавать и транспортировать свой груз внутри клеток».
HAC-домен состоит из спирали, бета-шпильки и еще одной спирали, формирующих каркас для белка-адаптера KAP3 и белка-груза APC. Исследование выявило четыре различных участка связывания между компонентами комплекса, причем белок KIF3A играет доминирующую роль в распознавании груза. Структура HAC/KAP3 напоминает архитектуру связывания груза у других моторных белков, таких как динеин и кинезин-1, что указывает на общую систему распознавания.
(A) Рисованное изображение и анализ консервативности соединения стебля и хвоста гетеродимера KIF3. (B) Гидрофобность поверхности (вверху) и электростатические свойства (внизу) соединения стебля и хвоста KIF3. Пунктирные линии выделяют гидрофобный карман (вверху справа) и отрицательно заряженную область αA-βh (внизу слева) соответственно.
Команда подтвердила структурную модель с помощью масс-спектрометрии, биохимии и клеточной биологии нейронов. Дефекты внутриклеточного транспорта связаны с различными заболеваниями человека, включая нейродегенеративные расстройства. Понимание того, как моторные белки распознают и доставляют груз, создает молекулярную основу для разработки новых диагностических и терапевтических подходов.