Op de mobiele snelweg, motoreiwitten genaamd dyneins heersen over de weg. Dyneins "lopen" langs structuren die microtubuli worden genoemd om cellulaire lading af te leveren, zoals signaalmoleculen en organellen, naar verschillende delen van een cel. Zonder dynein op het werk, cellen kunnen zich niet delen en mensen kunnen neurologische ziekten krijgen.

Nu een nieuwe studie, die in het journaal verschijnt Natuur Structurele en moleculaire biologie , biedt de eerste driedimensionale (3D) visualisatie van het dyneïne-dynactine-complex gebonden aan microtubuli. De onderzoeksleiders van The Scripps Research Institute (TSRI) melden dat een eiwit genaamd dynactin twee dyneïnen aan elkaar koppelt, als een juk dat een paar trekpaarden aan elkaar sluit.

"Als je wilt dat een span paarden in één richting beweegt, je moet ze op een rij zetten, " zegt Gabriel C. Lander, doctoraat, een TSRI universitair hoofddocent en senior auteur van de studie. "Dat is precies wat dynactin doet met dyneïne-moleculen."

Begrijpen hoe het dyneïne-dynactine-complex wordt samengesteld en georganiseerd, biedt een cruciale basis om de onderliggende oorzaken van verschillende dyneïne-gerelateerde neurodegeneratieve ziekten zoals spinale musculaire atrofie (SMA) en de ziekte van Charcot-Marie-Tooth (CMT) te verklaren.

Onderzoekers wisten dat dynactine nodig is voor dyneïne om vracht te verplaatsen, maar ze hadden moeite om een ​​volledig beeld te krijgen van hoe de verschillende delen van het complex samenwerkten.

"We wisten dat dyneïne alleen actief wordt wanneer het zich bindt aan een partner genaamd dynactine. Het probleem was dat, historisch, het was moeilijk om deze structuur op te lossen omdat het zeer flexibel en dynamisch is, " legt Danielle Grotjahn uit, een TSRI-afgestudeerde student en co-eerste auteur van de studie. "We moesten deze dyneïne-dynactine-complexen visualiseren om fundamenteel te begrijpen hoe het werkt om moleculen te transporteren."

Voor de nieuwe studie onderzoekers gebruikten een beeldvormende techniek genaamd cryo-elektronentomografie, wat vergelijkbaar is met het maken van een CT-scan van een eiwit, om een ​​3D-reconstructie te maken, of tomogram. Om de resolutie en helderheid van deze tomogrammen te vergroten, onderzoekers gebruikten geavanceerde computationele algoritmen om veel individuele eiwitcomplexen bij elkaar te brengen.

In dit geval, echter, de huidige verwerkingsmethoden waren niet in staat om een ​​duidelijk, interpreteerbare 3D-structuur van het uiterst flexibele dynein-dynactin-complex.

Grotjahn wist dat de nodige informatie verborgen was in de tomogrammen, dus ontwikkelde ze een nieuwe strategie om specifieke componenten van het dynein-dynactin-complex te identificeren. Deze aanpak hielp de beeldverwerkingssoftware bij het reconstrueren van het gehele aan microtubuli gebonden motorcomplex.

"Danielle deed de eerste grote stap voor de computationele algoritmen, ' zegt Lander.

Met hun nieuwe, gedetailleerde structuur, de onderzoekers merkten een verrassende eigenschap op:het complex heeft twee dyneïne-moleculen waarvan ze verwachtten dat ze er maar één zouden zien. Dit betekent dat elke dyneïne twee motordomeinen heeft, het dyneïne-dynactine-complex heeft in totaal vier motordomeinen.

"Deze ontdekking was totaal onverwacht, en zal veranderen hoe dit motorische complex wordt weergegeven in celbiologie en biochemie tekstboeken, " zegt Saikat Chowdhury, doctoraat, een TSRI-onderzoeksmedewerker en co-eerste auteur van de studie.

"Er waren jaren van biofysische experimenten en biochemische experimenten geweest, en er werd altijd aangenomen dat er maar één dyneïnemolecuul was, ’, vult Lander aan.

De onderzoekers konden ook zien waar dynactine in past. Ze ontdekten dat het molecuul een stabiele steiger biedt, het team van motorische domeinen aan elkaar koppelen en hun vermogen om langs microtubuli te bewegen activeren. Deze ontdekking helpt verklaren hoe dyneïne grote ladingen kan vervoeren, zoals organellen die veel groter zijn dan zijzelf, over lange afstanden in een drukke cellulaire omgeving.

De beeldverwerkingsbenadering die in dit onderzoek is gebruikt, heeft het potentieel om uiterst nuttig te zijn voor het oplossen van de structuren van andere grote, flexibele eiwitten.

"We zijn nu in staat om voorbij cartoonmodellen te gaan en de fijne details van veel dynamische macromoleculaire complexen te visualiseren, ", zegt Grotjahn. "Naarmate we meer leren over de 3D-organisatie en architectuur van deze moleculaire machines, we zullen beter toegerust zijn om te begrijpen hoe ze slecht functioneren bij ziekte."

Andere auteurs van de studie, "Cryo-elektronentomografie onthult dat dynactine een team van dyneïnen rekruteert voor progressieve beweeglijkheid, " waren Yiru Xu van het Scripps Research Institute; Richard J. McKenney van de Universiteit van Californië, Davis; en Trina A. Schroer van de Johns Hopkins University.