Es wurde gezeigt, dass Neuronenbewegungen durch Push, Pull von Motorproteinen verursacht werden

Neuronen, die für die Erzeugung der Signale verantwortlich sind, die letztendlich eine Aktion wie das Sprechen oder Bewegen eines Muskels auslösen, werden von Klassen von Motorproteinen aufgebaut und unterhalten, die molekulare Fracht entlang langgestreckter Bahnen, den sogenannten Mikrotubuli, transportieren. Ein von der Penn State geleitetes Forscherteam deckte auf, wie zwei Hauptgruppen von Motorproteinen um den Transport von Fracht in entgegengesetzten Richtungen zwischen dem Zellkörper und der Synapse in Neuronen konkurrieren.

Durch Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie und Computermodellierung untersuchte die Gruppe, wie drei Klassen eines Motorproteintyps, bekannt als Kinesine, während des Frachttransports mit einem anderen Motortyp, Dynein, interagieren. Ihre Entdeckungen, veröffentlicht in eLifekann Wissenschaftlern helfen, den normalen Frachttransportprozess besser zu verstehen, und in zukünftigen Arbeiten darüber informieren, wie er im Fall von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer gestört wird.

„Kinesin und Dynein bewegen sich entlang von Mikrotubuli, die über 1.000 Mal kleiner sind als ein Stück Haar“, sagte der korrespondierende Autor William Hancock, Professor für Biomedizintechnik (BME) an der Pennsylvania State University. „Aufgrund der strukturellen Polarität der Mikrotubuli binden Kinesin-Motoren an eine Fracht und ziehen sie in eine Richtung und tragen sie zur Synapse, während Dyneine binden und sich in die entgegengesetzte Richtung zurück zum Zellkörper des Neurons bewegen. Wenn beide Motoren gleichzeitig an eine Frachtladung binden, entsteht ein Wettbewerb zwischen den beiden Motoren, und die Leistung der beiden Motoren bestimmt, wie schnell und in welche Richtung sich die Fracht bewegt.

Es gibt etwa ein Dutzend verschiedene Arten von Transport-Kinesinen, die in drei Familien unterteilt sind, während es nur eine Art von Transport-Dynein gibt. Die Forscher nahmen einen einzelnen Kinesin-Motor aus jeder der drei Familien und verbanden ihn mit Dynein. Mithilfe der Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie – bei der Wissenschaftler einzelne, fluoreszenzmarkierte Proteine ​​und DNA-Moleküle mit leistungsstarken Kameras und Linsen beobachten – beobachteten sie, wie sich die Proteine ​​entlang der Mikrotubuli bewegten.

„Jeder Kinesin-Motor ist wie ein anderer Autotyp auf der Straße: Einer ist ein Rennwagen, einer ein SUV, einer ein Lastwagen“, sagte Hancock. „Manche Kinesin-Motoren bewegen sich über kurze Distanzen, andere über lange Distanzen, manche schneller und manche langsamer. Da sich die Motoren isoliert voneinander so unterschiedlich verhalten, waren wir überrascht, was wir herausfanden, als wir sie mit Dynein zusammenhängten.“

Trotz ihrer offensichtlichen Unterschiede fanden die Forscher heraus, dass alle drei Kinesin-Typen gegenüber Dynein gleichwertig waren: Sie alle hielten den hinderlichen Belastungen von Dynein effektiv stand.

Um den zugrunde liegenden Mechanismus besser zu verstehen, nahmen die Forscher ihre experimentellen Ergebnisse und entwickelten ein Rechenmodell, das darauf hinwies, dass die drei Kinesin-Typen unterschiedliche Ansätze für den Wettbewerb mit Dynein verwenden.

Kinesin-1-Motoren ziehen stetig gegen Dynein, lösen sich relativ selten von der Mikrotubulibahn, brauchen aber einige Zeit, um sich wieder zu befestigen. Kinesin-3-Motoren lösen sich leicht, wenn gegen Dynein gezogen wird, heften sich aber schnell wieder an die Mikrotubuli-Schiene an und benötigen nur eine Millisekunde, um sich wieder zu bewegen. Kinesin-2-Motoren zeigen eine Kombination der Verhaltensweisen von Kinesin-1 und -3.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass es nicht die mechanischen Eigenschaften von Kinesin sind, die die Richtung und Geschwindigkeit des Frachttransports bestimmen; da ist was anderes im spiel.

„Der Befund, dass sich Kinesin-3-Motoren innerhalb einer Millisekunde wieder an ihre Spur anheften, ist bemerkenswert, und wir wollen die biophysikalischen Mechanismen, die dieser schnellen Wiederanheftung zugrunde liegen, sowohl bestätigen als auch verstehen“, sagte Hancock. „Wir planen auch, die Regulierung der Adaptermoleküle zu untersuchen, die die Proteinmotoren mit ihrer Fracht verbinden, sowie die mechanische Steifigkeit der Fracht, um zu sehen, ob diese Faktoren eine Rolle spielen.“

Dazu setzen die Forscher die Motoren unterschiedlichen mechanischen Belastungen aus, indem sie sie mit Proteinen mit immer längeren DNA-Stücken verbinden und ihre Bewegungen unter dem Mikroskop analysieren.

Das Verständnis des intrazellulären Transportsystems sowie seiner Anfälligkeit für Mutationen kann Wissenschaftlern helfen, Fortschritte bei der Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit, der Huntington-Krankheit und der Lou-Gehrig-Krankheit zu erzielen.

„Es ist klar, dass Defekte im intrazellulären Transport wichtige Aspekte neurodegenerativer Erkrankungen sind, aber die zugrunde liegenden Mechanismen und wie die Transportdefekte zur Pathologie beitragen, sind nicht klar“, sagte Hancock. „Mit diesen neuen Einblicken in die motorischen Mechanismen von Kinesin hoffen wir zu interpretieren, wie Mutationen seine Transportfähigkeit beeinflussen und dadurch die neuronale Gesundheit beeinträchtigen.“