Er is aangetoond dat de bewegingen van neuronen worden veroorzaakt door het duwen en trekken van motoreiwitten

Neuronen, die verantwoordelijk zijn voor het produceren van de signalen die uiteindelijk leiden tot een actie zoals spreken of een spier bewegen, worden gebouwd en onderhouden door klassen van motoreiwitten die moleculaire lading transporteren langs lange paden die microtubuli worden genoemd. Een door Penn State geleid team van onderzoekers heeft onthuld hoe twee grote groepen motoreiwitten met elkaar concurreren om vracht in tegengestelde richtingen tussen het cellichaam en synapsen in neuronen te vervoeren.

Door middel van fluorescentiemicroscopie met één molecuul en computationele modellering onderzocht de groep hoe drie klassen van één type motoreiwit, bekend als kinesinen, interageren met een ander type motor, een dyneïne, tijdens vrachtvervoer. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in eLifezou wetenschappers kunnen helpen het normale vrachttransportproces beter te begrijpen en in toekomstig werk te laten zien hoe het wordt verstoord in het geval van neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Alzheimer.

“Kinesine en dyneïne bewegen langs microtubuli, die meer dan 1000 keer kleiner zijn dan een haarstukje”, zegt overeenkomstige auteur William Hancock, MD, professor biomedische technologie (BME) aan Penn State. “Vanwege de structurele polariteit van de microtubuli binden kinesinemotoren zich aan een lading en trekken deze in de ene richting en dragen deze naar de synaps, terwijl dyneïne zich bindt en in de tegenovergestelde richting beweegt, naar het cellichaam van neuronen. Wanneer beide motoren binden tegelijkertijd naar een lading, ontstaat er concurrentie tussen de twee motoren, en hoe elk presteert, bepaalt hoe snel en in welke richting de lading zal reizen. ”

Er zijn ongeveer tien verschillende soorten transporten verdeeld in drie families, terwijl er maar één type transporten dynein is. De onderzoekers namen van elk van de drie families één kinesinemotor en bevestigden die aan dyneïne. Met behulp van fluorescentiemicroscopie met één molecuul – waarbij wetenschappers individuele fluorescent gelabelde eiwitten en DNA-moleculen observeren met behulp van krachtige camera’s en lenzen – observeerden ze hoe de eiwitten langs de microtubulus bewogen.

“Elke motor van de Kennesen is als een ander soort auto op de weg: de ene is een raceauto, de andere is een SUV, de andere is een vrachtwagen”, zei Hancock. “Sommige kinesin-motoren leggen korte afstanden af, sommige verplaatsen zich over lange afstanden, sommige bewegen sneller en sommige bewegen langzamer. Omdat de motoren zo verschillend van elkaar presteren, waren we verrast door wat we ontdekten toen we ze aan elkaar koppelden met dyneïne.”

Ondanks de schijnbare verschillen, ontdekten de onderzoekers dat alle drie soorten kinesin gelijkwaardig presteerden tegen dyneïne: ze gingen allemaal effectief de verlammende dyneïnebelasting tegen.

Om het onderliggende mechanisme beter te begrijpen, hebben de onderzoekers hun experimentele resultaten genomen en een rekenmodel ontwikkeld, dat aangaf dat de drie soorten kinesine verschillende manieren gebruiken om te concurreren met dyneïne.

Kinesin-1-motoren trekken stevig tegen dyneïne, komen zelden los van het microtubuli-pad, maar het duurt even voordat ze weer op gang komen. Kinesin-3-motoren komen gemakkelijk los wanneer ze tegen dyneïne worden getrokken, maar hechten zich snel weer vast aan de microtubulibaan, en het duurt minder dan een fractie van een seconde om weer in beweging te komen. Kinesin-2-drives vertonen een combinatie van kinesin-1- en -3-gedrag.

Experimentele resultaten geven aan dat het niet de mechanische eigenschappen van kinesine zijn die de richting en snelheid van vrachtvervoer bepalen; Een ander ding is spelen.

“De ontdekking dat kinesin-3 binnen enkele milliseconden weer op het goede spoor komt, is verrassend en we willen de biofysische mechanismen achter deze snelle associatie bevestigen en begrijpen,” zei Hancock. “We zijn ook van plan om te kijken naar de regulatie van de adaptermoleculen die eiwitmotoren aan hun lading bevestigen, evenals naar de mechanische stijfheid van de lading, om te zien of deze factoren een rol spelen.”

Om dit te doen, zullen de onderzoekers de motoren onder verschillende mechanische belastingen zetten door ze te bevestigen aan eiwitten met steeds langere stukjes DNA, terwijl ze hun bewegingen onder een microscoop analyseren.

Het begrijpen van het intracellulaire transportsysteem, evenals de gevoeligheid ervan voor mutaties, zou wetenschappers kunnen helpen vooruitgang te boeken bij de studie van neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Huntington en de ziekte van Lou Gehrig.

“Het is duidelijk dat defecten in intracellulair transport belangrijke aspecten zijn van neurodegeneratieve ziekten, maar de onderliggende mechanismen en hoe transportdefecten bijdragen aan pathologie zijn onduidelijk,” zei Hancock. “Met deze nieuwe inzichten in de kinetische mechanismen van de kinesine hopen we uit te leggen hoe mutaties het vermogen om over te dragen beïnvloeden en zo de gezondheid van neuronen schaden.”