La geometria di ancoraggio è un fattore significativo nel determinare la direzione della chinesina

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15417 (2022) Citare questo articolo

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I motori basati su microtubuli Kinesin-14 hanno una coda N-terminale che collega il nucleo catalitico al suo carico e solitamente si muovono verso le estremità meno dei microtubuli, mentre la maggior parte delle altre kinesine hanno una coda C-terminale e si muovono verso le estremità più. La perdita di sequenze conservate esterne al dominio motorio fa sì che la chinesina-14 passi alla motilità dell'estremità positiva, dimostrando che un attacco N-terminale è compatibile con la motilità dell'estremità positiva. Tuttavia, non sono stati condotti studi sistematici sul ruolo della posizione di attaccamento nella motilità dell’estremità negativa. Abbiamo quindi esaminato la motilità delle chinesine-14 monomeriche che differiscono solo nel punto di attacco. Troviamo che un punto di attacco C-terminale fa sì che la chinesina-14 diventi diretta verso l'estremità positiva, con direzione di rotazione a cavatappi dei microtubuli e passo nei test di motilità simile a quello della chinesina-1, suggerendo che sia C-chinesina chinesina-14 che N -kinesin kinesin-1 condivide una funzione centrale catalitica altamente conservata con una polarizzazione intrinseca plus-end. Pertanto, un attacco N-terminale è uno dei requisiti per la motilità dell'estremità negativa nella chinesina-14.

Il movimento unidirezionale delle proteine ​​motrici della chinesina lungo i microtubuli è importante in molti processi cellulari negli eucarioti, compreso il trasporto degli organelli e la divisione cellulare. In generale, la maggior parte delle N-chinesine come le chinesine da -1 a -10 e -12, in cui il dominio motorio è situato nella parte N-terminale, si muovono verso le estremità dei microtubuli più, mentre alcune C-chinesine come la chinesina-14, in cui i domini motori si trovano nella parte C-terminale, si muovono verso le estremità negative dei microtubuli1,2. Tuttavia, non tutte le kinesine hanno una motilità puramente unidirezionale e recentemente è stata osservata una commutazione direzionale in alcune kinesine di lieviti e funghi. Alcune chinesina-5, N-chinesine che normalmente sono dirette verso l'estremità positiva, hanno la notevole capacità di muoversi anche verso l'estremità negativa dei microtubuli e di cambiare direzione in varie condizioni3,4,5,6,7, mentre alcune chinesina-5 14 (C-chinesina, che normalmente sono dirette verso l'estremità meno) mostrano una bidirezionalità dipendente dal contesto8,9. Nonostante le direzioni opposte delle loro motilità longitudinali, il nucleo catalitico delle N-chinesine come la chinesina-1 e le C-chinesine come la chinesina-14 sono notevolmente simili nella loro struttura 3D e nelle sequenze di amminoacidi1,10,11. Inoltre le N-chinesine come le kinesine-112, -213, -314, -515, -616 e -817 e la C-kinesina kinesin-1418,19 generano anche una coppia che, insieme alla loro motilità longitudinale, si traduce in una traslocazione simile a un cavatappi di microtubuli che scivolano attraverso una serie di motori fissati su una superficie. Con l'eccezione della chinesina-1 dimerica processiva, che segue precisamente un singolo protofilamento nel microtubulo20, le N-chinesine dirette all'estremità più guidano un movimento a cavatappi sinistrorso del microtubulo12, mentre la chinesina-14 Ncd diretta all'estremità meno guida un movimento di cavatappi destrorso18. Questa inversione della manualità del cavatappi con la direzione suggerisce che la componente di generazione della coppia laterale della motilità della chinesina è esattamente la stessa in entrambi i tipi di motore (Figura 1 supplementare)12.

In contrasto con la somiglianza della struttura e della funzione del loro nucleo catalitico, la chinesina-1 e la chinesina-14 hanno le loro regioni uniche adiacenti ai terminali C e N del loro nucleo catalitico (Fig. 1a e Fig. 2a,b supplementare ). Nella chinesina-1, una regione di ~ 15 amminoacidi C-terminale chiamata neck-linker, che si estende dall'α6-elica nel nucleo catalitico, subisce cambiamenti conformazionali indotti da cambiamenti nello stato del nucleotide della chinesina21,22. Si ritiene che la conformazione di aggancio di questo collegamento del collo sul nucleo catalitico sia l'evento primario di generazione della forza per le N-chinesine. Recentemente, è stato ipotizzato che un filamento β N-terminale chiamato filamento di copertura che sporge dal nucleo motorio della chinesina-1 interagisca con il collegamento del collo formando un "fascio copertura-collo", che modula la generazione di forza lungo entrambi i microtubuli assi longitudinali23,24 e laterali corti25. Tuttavia, il meccanismo di generazione della forza di aggancio del neck-linker non è conservato in tutte le N-chinesine, poiché alcune N-chinesine come le kinesine-6 ​​e -10 mancano delle tipiche regioni del neck-linker26,27. In contrasto con le N-chinesine, le C-chinesine-14 possiedono una struttura α-elicoidale unica chiamata collo-elica unita direttamente all'N-terminale del foglio β1 nel nucleo catalitico che è altamente conservata in tutte le chinesine -14 membri28. È stato ipotizzato che un'oscillazione rotazionale dell'elica del collo sia responsabile della generazione di forza e della direzionalità dell'estremità negativa nelle chinesine-14, equivalente all'oscillazione del braccio di leva proposta per le proteine ​​motrici della miosina a base di actina29, sebbene lo stato nucleotidico in cui l'elica del collo le oscillazioni dell'elica del collo rimangono controverse19,30,31,32. Inoltre, la chinesina-14 contiene anche una breve regione C-terminale chiamata mimica del collo che sporge dall'α6-elica. Sebbene il collo-mimico abbia poca somiglianza con il collegamento del collo delle N-chinesine a livello di amminoacidi, contiene diversi amminoacidi basici e idrofobici che sono altamente conservati nella chinesina-14s33. La mimica del collo non è stata rilevata nelle strutture cristallografiche o al microscopio crioelettronico della Drosophila melanogaster Ncd30,34 della kinesin-14 wild-type o del Saccharomyces cerevisiae Kar335, ma è stata rilevata nella struttura del membro della kinesin-14 KCBP (legame della calmodulina simile alla chinesina proteina), dove la regione C-terminale, compreso il mimico del collo, si agganciava al nucleo catalitico allo stesso modo del collegamento del collo nelle N-chinesine36. In Ncd con la singola mutazione T436S, è stato dimostrato anche che i primi tre residui della regione mimica del collo si agganciano al nucleo catalitico31. I test biochimici e di motilità indicano anche che la mimica del collo di Ncd può regolare l'affinità di legame di Ncd con i microtubuli e la motilità diretta all'estremità negativa33. Questi studi suggeriscono che la regione mimica del collo C-terminale nelle C-chinesine può anche essere coinvolta nella generazione di forza per la motilità diretta verso l'estremità meno in modo simile al collegamento del collo delle N-chinesine per la motilità diretta verso l'estremità più .