Beweging signaleert leven, en nergens is dit meer waar dan in een levende cel. De miljoenen eiwitten en moleculen in elk van onze cellen buigen, reizen en conformeren in een complex maar georkestreerd patroon, gereguleerd door de genen die coderen voor wat waar en wanneer gaat. Als onderdeel van dat patroon, een belangrijke klasse van eiwitten genaamd dyneïne transport en leveren verschillende cellulaire ladingen tussen verschillende delen van de cel.

Biochemie-onderzoeker Steven Markus van de Colorado State University is vooral geïntrigeerd door deze grote, intracellulaire motoreiwitten die methodisch langs een netwerk van filamenteuze sporen bewegen die microtubuli worden genoemd.

Hoe belangrijk is dyneïne? Als dyneïne zou verdwijnen, we zouden niet voorbij een paar mitotische celdelingen leven. En veel neurologische ziekten, waaronder een genaamd lissencefalie, zijn gekoppeld aan defecten in de dyneïnefunctie. Het doel van veel laboratoria, waaronder Markus', is om te begrijpen waarom.

Zijn onderzoeksteam heeft een sprong in dat inzicht gemaakt door te onthullen, tot in de kleinste details, het mechanisme waardoor een bepaald molecuul de dyneïnefunctie beïnvloedt. Hoewel het al lang bekend was dat het lissencefalie-1-gen, of Lis1, beïnvloedt de dyneïne-activiteit, de details waren onduidelijk. Markus en zijn team hebben precies onthuld hoe Lis1 dynein activeert door te voorkomen dat dynein zichzelf uitschakelt. stabiliseren in een "open, "Ongeremde exterieur.

De nieuwe bevinding druist in tegen eerder aanvaarde opvattingen dat Lis1 fungeerde als een remmer van dyneïne. Volgens de nieuwe studie van het Markus-lab, gepubliceerd op 27 april in Natuur celbiologie , het tegenovergestelde is waar:Lis1 activeert dyneïne, werken om zichzelf op zo'n manier vast te klemmen dat wordt voorkomen dat het motoreiwit zichzelf in een "uit"-toestand vouwt - waardoor het zijn vermogen tot auto-inhibitie remt, leggen de onderzoekers uit.

Moleculaire basis van ziekte begrijpen

Een persoon met lissencefalie, of "glad brein, " lijdt aan epileptische aanvallen en een beperkte motorische functie en wordt zelden ouder dan een paar jaar. Deze verwoestende ziekte wordt geassocieerd met een mutatie in Lis1, een gen dat codeert voor een kritische regulator van dyneïne.

"Ik ben geïnteresseerd in de moleculaire basis van deze ziekten, " zei Markus, universitair docent bij de vakgroep Biochemie en Moleculaire Biologie. "Er zullen geen therapeutische interventies zijn zonder te begrijpen hoe deze moleculen functioneren." Verder dan dat, Markus zegt, "moleculaire motoren zijn leuk, omdat we deze motoren kunnen zuiveren en ze in realtime op microtubuli kunnen zien lopen met behulp van fluorescentiemicroscopie" - en dat is precies wat het team voor hun onderzoek deed.

Om hun experimenten uit te voeren, de onderzoekers gebruikten ontluikende gistcellen als modelsysteem. In tegenstelling tot menselijke cellen waarin dyneïne tal van activiteiten uitvoert, dyneïne vervult slechts een enkele functie in deze cellen. Hun bevindingen met dit vereenvoudigde systeem kunnen zich vertalen in menselijke en andere hogere eukaryote cellen, waarin de basisfunctie van dyneïne gedurende miljoenen jaren van evolutie behouden blijft.

De onderzoekers gebruikten verschillende technieken om hun conclusies te trekken. De belangrijkste was real-time beeldvorming van één molecuul. Met behulp van een high-yieldtechniek die ze in het lab ontwikkelden, het team gezuiverde dyneïne, een fluorescerend molecuul toegevoegd, en geassembleerde microscoopbeeldkamers met gezuiverde microtubuli om de dyneïne te zien "zipten, "Zei Markus. Deze techniek stelde hen in staat om de rol van de auto-geremde conformatie in de beweeglijkheid van dyneïne vast te stellen.

Ze gebruikten ook elektronenmicroscopie om stilstaande beelden met een zeer hoge resolutie te maken om te bepalen of de dyneïne-moleculen inderdaad een auto-geremde conformatie aannamen, wat onduidelijk was toen ze met hun studie begonnen. "Op de eerste dag in de elektronenmicroscopiefaciliteit, we waren zeer verrast om te zien dat de dyneïne-moleculen ondubbelzinnig in een auto-geremde conformatie waren, "Zei Markus. "Het had die heel aparte vorm."

De hoofdauteur van de studie was voormalig afgestudeerde student Matthew Marzo (nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Columbia University), die de experimenten ontwierp en leidde, met hulp van co-auteur en toen-undergraduate student Jacqueline Griswold (nu een Ph.D. student en NSF graduate research fellow aan de Johns Hopkins School of Medicine).

Markus is van plan andere experimenten uit te voeren, dezelfde gistcellen gebruiken, om de rol van Lis1 verder te onderzoeken in wat hij en collega's denken dat een meerstaps pad is dat dyneïne activeert. Hij hoopt ook samen te werken met neurowetenschappers van CSU om te bepalen of het Lis1-activeringsmechanisme op dezelfde manier werkt in neuronen. Daar, het doel zal zijn om nog meer kennis te verschaffen over hoe hersenziekten zoals lissencefalie op moleculair niveau voorkomen.

De studie is getiteld:"Pac1/LIS1 stabiliseert een ongeremde conformatie van dyneïne om de lokalisatie en activiteit te coördineren."