Мини-транспортеры на беличьем колесе: Новое понимание движения молекулярных моторов

Кинезины выполняют жизненно важную функцию в наших клетках: эти крошечные грузоперевозчики перемещают важные вещества вдоль длинных белковых волокон, обеспечивая эффективную транспортную инфраструктуру. Биофизики из Технического университета Мюнхена и Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене обнаружили, как некоторые из этих транспортеров могут, подобно автомобилям на многополосной трассе, перестраиваться. Исследователи сообщают об этом ранее неизвестном явлении в текущем выпуске авторитетного журнала Molecular Cell.

Молекулярные моторы — ключ к развитию высших форм жизни. Они транспортируют белки, сигнальные молекулы и даже целые хромосомы по длинным белковым волокнам, компонентам так называемого цитоскелета, из одного места клетки в другое. В любой момент времени, подобно грузовикам на шоссе, в пути находятся тысячи этих маленьких моторных белков — это высоко скоординированный и чрезвычайно быстрый вид транспорта. Такая высокоэффективная инфраструктура является предпосылкой для формирования крупных, сложных клеток и многоклеточных организмов. У бактерий, например, этой основы нет, поскольку у них нет ни молекулярных моторов, ни цитоскелетов.

Кинезины представляют собой один класс таких молекулярных моторов. Они движутся по микротрубочкам, состоящим из 13 отдельных волокон, расположенных в форме трубки. Кинезины состоят из скрученной пары белковых цепей. Каждая цепь включает головку, способную пристыковываться к поверхности микротрубочек, шейный домен, а также стержневой и хвостовой домены, к которым крепится груз. Кинезины движутся вперед, поочередно выставляя одну головку перед другой, что напоминает человеческую ходьбу. Первым механически изученным кинезином был Кинезин-1, который совершает множество последовательных шагов, не отрываясь от микротрубочки. При этом он движется по идеально прямому пути в своем долгом путешествии, всегда оставаясь на одном волокне микротрубочки.

Ученые под руководством Зейнеп Оектен, руководителя группы на кафедре биофизики Технического университета Мюнхена, и Мелани Бруннбауэр, докторанта той же кафедры, впервые продемонстрировали, что кинезины также "перестраиваются" во время транспортировки. Ученые идентифицировали область в белке кинезина, которая определяет, движется ли данный тип кинезина по прямому пути или по спирали. Это структурный элемент в шейном домене. "Если область шеи стабильна, две головки кинезина имеют ограниченный радиус действия. Кинезин не может делать боковых шагов и, следовательно, движется прямо вперед", — говорит Оектен. "Однако, если ответственная область дестабилизируется, радиус действия головок увеличивается, и моторный белок может перепрыгивать на другие волокна и двигаться по спирали вокруг микротрубочки".

Чтобы подтвердить это новое понимание, ученые интегрировали специфические аминокислоты в ответственные области — своего рода молекулярный переключатель, позволивший им регулировать радиус действия двух головок. Результат не оставил сомнений: дестабилизация шейной области мотора Кинезина-1 увеличивает радиус действия двух головок, что, в свою очередь, заставляет Кинезин-1 отклоняться от своего нормального идеально прямого пути и двигаться по спиралевидной траектории. Когда они имитировали стабильную область шеи с помощью химического сшивающего агента, они заставили белок снова двигаться по прямой.

Оектен и Бруннбауэр пришли к своему новому пониманию с помощью уникальной экспериментальной установки. Они поместили два синтетических шарика размером 3 микрона в раствор и захватили каждый с помощью лазерного луча — так называемой пары "оптических пинцетов". Затем, в ходе точной работы, они поместили фрагмент микротрубочки между шариками. На последнем этапе, снова с помощью лазерного луча, они захватили третий шарик, покрытый определенным типом кинезина, и осторожно поместили его на микротрубочку.

Как только они деактивировали третий лазерный луч, моторный белок начинал движение вперед, и ученые могли наблюдать путь молекулы под микроскопом. "Таким образом мы смогли впервые непосредственно наблюдать спиралевидное движение типа мотора", — объясняет Оектен. "Когда мы впервые увидели шаткое движение белка Кинезин-2, мы все рассмеялись. Движение было настолько ясным и очевидным, нужно было просто взглянуть на него, и все сомнения исчезали". Экспериментальная установка позволяет молекулярным моторам двигаться свободно, тем самым имитируя реальные условия в клетке гораздо лучше, чем предыдущие методы исследования.

Используя свою новую экспериментальную установку, Оектен и Бруннбауэр исследовали целый ряд различных белков Кинезин-2 из различных организмов — с неожиданным результатом: вопреки преобладавшему до сих пор предположению, что кинезины обычно движутся только по прямым путям, почти все кинезины демонстрировали ту или иную форму спирального движения, во множестве вариаций. "Это показывает нам, что спиральное движение — не исключение в природе, а скорее правило", — объясняет Оектен. "Фактически, более актуальный вопрос заключается в том, почему эволюция привела к прямолинейному движению, как мы наблюдаем у Кинезина-1. Это действительно необычно, учитывая наноразмерную точность, необходимую для удержания транспортера-кинезина на исключительно прямом пути". Исследователи Оектен и Бруннбауэр надеются в будущем более внимательно изучить причины различных видов движения.