Kinesin - Kinesin

Das Kinesin-Dimer (rot) bindet an Mikrotubuli (blau und grün) und bewegt sich entlang dieser.
Animation des "Gehens" von Kinesin auf einem Mikrotubulus

Ein Kinesin ist ein Protein, das zu einer Klasse von Motorproteinen gehört, die in eukaryontischen Zellen vorkommen.

Kinesine bewegen sich entlang von Mikrotubuli (MT) -Filamenten und werden durch die Hydrolyse von Adenosintriphosphat (ATP) angetrieben (daher sind Kinesine ATPasen , eine Art Enzym). Die aktive Bewegung von Kinesinen unterstützt mehrere zelluläre Funktionen, einschließlich Mitose , Meiose und Transport von zellulärer Fracht, wie zum Beispiel beim axonalen Transport . Die meisten Kinesine wandern zum Plus-Ende eines Mikrotubulus, was in den meisten Zellen den Transport von Fracht wie Protein- und Membrankomponenten vom Zentrum der Zelle in Richtung Peripherie mit sich bringt. Diese Transportform wird als anterograder Transport bezeichnet . Im Gegensatz dazu sind Dyneine Motorproteine, die sich beim retrograden Transport zum Minus-Ende eines Mikrotubulus bewegen .

Entdeckung

Kinesine wurden 1985 aufgrund ihrer Beweglichkeit im Zytoplasma entdeckt, das aus dem Riesenaxon des Tintenfisches extrudiert wurde.

Sie stellten sich als MT-basierte anterograde intrazelluläre Transportmotoren heraus. Das Gründungsmitglied dieser Superfamilie, Kinesin-1, wurde als heterotetramerer schneller axonaler Organellentransportmotor bestehend aus 2 identischen motorischen Untereinheiten (KHC) und 2 "leichten Ketten" (KLC) durch Mikrotubuli-Affinitätsreinigung aus neuronalen Zellextrakten isoliert. Anschließend wurde ein anderer, heterotrimerer Plus-End-gerichteter MT-basierter Motor namens Kinesin-2, bestehend aus 2 verschiedenen KHC-verwandten motorischen Untereinheiten und einer akzessorischen "KAP"-Untereinheit, aus Echinoderm-Ei-/Embryo-Extrakten gereinigt und ist am besten bekannt für seine Rolle Proteinkomplexe (IFT - Teilchen) entlang axonemes während beim Transport von cilium Biogenese . Molekulargenetische und genomische Ansätze haben zur Erkenntnis geführt, dass die Kinesine eine vielfältige Superfamilie von Motoren bilden, die für multiple intrazelluläre Motilitätsereignisse in eukaryotischen Zellen verantwortlich sind. Zum Beispiel kodieren die Genome von Säugetieren mehr als 40 Kinesinproteine, die in mindestens 14 Familien mit den Namen Kinesin-1 bis Kinesin-14 organisiert sind.

Struktur

Gesamtstruktur

Mitglieder der Kinesin-Superfamilie variieren in ihrer Form, aber der prototypische Kinesin-1-Motor besteht aus zwei Kinesin-Schwerketten (KHC)-Molekülen, die ein Proteindimer (Molekülpaar) bilden, das zwei leichte Ketten (KLCs) bindet, die für verschiedene Ladungen einzigartig sind.

Die schwere Kette von Kinesin-1 besteht aus einem globulären Kopf (der motorischen Domäne) am aminoterminalen Ende, der über einen kurzen, flexiblen Neck-Linker mit dem Stiel – einer langen, zentralen alpha-helicalen Coiled-Coil- Domäne – verbunden ist, die in einem Carboxyterminal endet Schwanzdomäne , die mit den Leichtketten assoziiert. Die Stiele zweier KHCs verflechten sich zu einer gewundenen Spule , die die Dimerisierung der beiden KHCs lenkt. In den meisten Fällen bindet die transportierte Fracht an die leichten Kinesinketten an der TPR-Motivsequenz des KLC, aber in einigen Fällen bindet die Fracht an die C-terminalen Domänen der schweren Ketten.

Kinesinmotorische Domäne

Kinesinmotorische Domäne
Kinesin-Motordomäne 1BG2.png
Kristallographische Struktur der menschlichen Kinesin-Motordomäne, dargestellt als regenbogenfarbener Cartoon ( N-Terminus = blau, C-Terminus = rot) komplexiert mit ADP (Stabdiagramm, Kohlenstoff = weiß, Sauerstoff = rot, Stickstoff = blau, Phosphor = orange) und ein Magnesiumion (graue Kugel).
Bezeichner
Symbol Kinesinmotorische Domäne
Pfam PF00225
InterPro IPR001752
CLEVER SM00129
PROSITE PS50067
SCOP2 1bg2 / Scope / SUPFAM
CDD cd00106

Der Kopf ist die Signatur von Kinesin und seine Aminosäuresequenz ist unter verschiedenen Kinesinen gut konserviert. Jeder Kopf hat zwei separate Bindungsstellen : eine für die Mikrotubuli und die andere für ATP. ATP-Bindung und Hydrolyse sowie ADP- Freisetzung verändern die Konformation der Mikrotubuli-bindenden Domänen und die Orientierung des Neck-Linkers in Bezug auf den Kopf; dies führt zur Bewegung des Kinesins. Mehrere Strukturelemente im Head, darunter eine zentrale Beta-Faltblatt- Domäne und die Switch-I- und Switch-II-Domänen, wurden mit der Vermittlung der Wechselwirkungen zwischen den beiden Bindungsstellen und der Neck-Domäne in Verbindung gebracht. Kinesine sind strukturell mit G-Proteinen verwandt , die GTP anstelle von ATP hydrolysieren . Die beiden Familien teilen sich mehrere strukturelle Elemente, insbesondere die Switch I- und Switch II-Domäne.

Mobile und selbstinhibierte Konformationen von Kinesin-1. Selbstgehemmte Konformation: Die IAK-Region des Schwanzes (grün) bindet an motorische Domänen (gelb und orange), um den enzymatischen Zyklus von Kinesin-1 zu hemmen. Mobile Konformation: Ohne die Schwanzbindung können sich die motorischen Domänen von Kinesin-1 (gelb und orange) frei entlang des Mikrotubulus (MT) bewegen . HVE 2Y65; PDB 2Y5W.
Detaillierte Ansicht der Kinesin-1-Selbsthemmung (eine von zwei gezeigten möglichen Konformationen). Highlight: positiv geladene Reste (blau) der IAK-Region interagieren an mehreren Stellen mit negativ geladenen Resten (rot) der Motordomänen PDB 2Y65

Kinesin-Grundregulation

Kinesine neigen dazu, eine niedrige basale enzymatische Aktivität aufzuweisen, die signifikant wird, wenn sie durch Mikrotubuli aktiviert wird. Darüber hinaus können viele Mitglieder der Kinesin-Superfamilie durch die Bindung der Schwanzdomäne an die Motordomäne selbst gehemmt werden. Eine solche Selbsthemmung kann dann durch zusätzliche Regulierung wie Bindung an Fracht oder Frachtadapter aufgehoben werden.

Gütertransport

In der Zelle, kleine Moleküle, wie Gas und Glukose , diffundieren , wo sie benötigt werden. Große Moleküle, die im Zellkörper synthetisiert werden, intrazelluläre Komponenten wie Vesikel und Organellen wie Mitochondrien sind zu groß (und das Zytosol zu eng), um an ihre Bestimmungsorte diffundieren zu können. Motorproteine ​​erfüllen die Aufgabe, große Ladungen durch die Zelle zu ihren gewünschten Zielen zu transportieren. Kinesine sind Motorproteine, die solche Fracht transportieren, indem sie unidirektional entlang der Spuren von Mikrotubuli wandern und bei jedem Schritt ein Molekül Adenosintriphosphat (ATP) hydrolysieren . Es wurde angenommen, dass die ATP- Hydrolyse jeden Schritt antreibt, wobei die freigesetzte Energie den Kopf vorwärts zur nächsten Bindungsstelle treibt. Es wurde jedoch vorgeschlagen, dass der Kopf nach vorne diffundiert und die Kraft der Bindung an den Mikrotubulus die Ladung mitzieht. Darüber hinaus nutzen Viren, beispielsweise HIV, Kinesine aus, um nach dem Zusammenbau Viruspartikel-Shuttle zu ermöglichen.

Es gibt signifikante Beweise dafür, dass Ladungen in-vivo von mehreren Motoren transportiert werden.

Bewegungsrichtung

Motorproteine ​​wandern entlang eines Mikrotubulus in eine bestimmte Richtung. Mikrotubuli sind polar; Das heißt, die Köpfe binden nur in einer Richtung an den Mikrotubulus, während die ATP-Bindung jedem Schritt seine Richtung durch einen Prozess gibt, der als Neck-Linker-Zipper bekannt ist.

Es war bereits bekannt, dass Kinesin Fracht zum Plus (+)-Ende eines Mikrotubulus bewegt, auch bekannt als anterograder Transport/orthograder Transport. Es wurde jedoch kürzlich entdeckt, dass sich in knospenden Hefezellen Kinesin Cin8 (ein Mitglied der Kinesin-5-Familie) auch in Richtung des Minus-Endes oder des retrograden Transports bewegen kann. Dies bedeutet, dass diese einzigartigen Hefe-Kinesin-Homotetramere die neuartige Fähigkeit haben, sich bidirektional zu bewegen. Bisher wurde gezeigt, dass sich Kinesin nur in einer Gruppe zum Minus-Ende bewegt, wobei die Motoren in antiparalleler Richtung gleiten, um Mikrotubuli zu trennen. Diese duale Richtung wurde unter identischen Bedingungen beobachtet, bei denen sich freie Cin8-Moleküle zum Minus-Ende bewegen, sich jedoch vernetzendes Cin8 zu den Plus-Enden jedes vernetzten Mikrotubulus bewegen. Eine spezifische Studie testete die Geschwindigkeit, mit der sich Cin8-Motoren bewegten, ihre Ergebnisse ergaben einen Bereich von etwa 25-55 nm/s in Richtung der Spindelpole. Im Einzelfall wurde festgestellt, dass Cin8-Motoren durch variierende Ionenbedingungen bis zu 380 nm/s schnell werden können. Es wird vermutet, dass die Bidirektionalität von Hefe-Kinesin-5-Motoren wie Cin8 und Cut7 das Ergebnis der Kopplung mit anderen Cin8-Motoren ist und dazu beiträgt, die Rolle von Dynein in knospenden Hefen zu erfüllen, im Gegensatz zum menschlichen Homolog dieser Motoren, dem Plus gerichtetes Eg5. Diese Entdeckung in Proteinen der Kinesin-14-Familie (wie  Drosophila melanogaster NCD, knospende Hefe KAR3 und  Arabidopsis thaliana  ATK5) ermöglicht es Kinesin, in die entgegengesetzte Richtung zu wandern, zum Minusende der Mikrotubuli. Dies ist nicht typisch für Kinesin, sondern eine Ausnahme von der normalen Bewegungsrichtung.

Diagramm zur Veranschaulichung der Beweglichkeit von Kinesin.

Eine andere Art von Motorprotein, bekannt als  Dyneine , bewegt sich zum Minus-Ende des Mikrotubulus. So transportieren sie Fracht von der Peripherie der Zelle in Richtung Zentrum. Ein Beispiel hierfür wäre der Transport von den terminalen Boutons eines neuronalen Axons zum Zellkörper (Soma). Dies wird als  retrograder Transport bezeichnet .

Vorgeschlagene Bewegungsmechanismen

Kinesin führt den Transport durch, indem es entlang eines Mikrotubulus "läuft". Zwei Mechanismen wurden vorgeschlagen, um diese Bewegung zu erklären.

  • Beim „Hand-über-Hand“-Mechanismus laufen die Kinesin-Köpfe aneinander vorbei und wechseln die Führungsposition.
  • Beim "Inchworm"-Mechanismus führt immer ein Kinesin-Kopf und bewegt sich einen Schritt vorwärts, bevor der nachlaufende Kopf einholt.

Trotz einiger verbleibender Kontroversen deuten zunehmende experimentelle Beweise darauf hin, dass der Hand-über-Hand-Mechanismus wahrscheinlicher ist.

ATP-Bindung und Hydrolyse bewirken, dass sich Kinesin über einen "Wippmechanismus" um einen Drehpunkt bewegt. Dieser Schaukelmechanismus erklärt Beobachtungen, dass die Bindung von ATP an den nukleotidfreien, mikrotubulusgebundenen Zustand zu einer Neigung der Kinesin-Motordomäne relativ zum Mikrotubulus führt. Kritisch ist, dass der Neck-Linker vor diesem Kippen nicht in der Lage ist, seine am Motorkopf angedockte, nach vorne gerichtete Konformation einzunehmen. Das ATP-induzierte Kippen bietet dem Neck-Linker die Möglichkeit, in dieser nach vorne gerichteten Konformation anzudocken. Dieses Modell basiert auf CRYO-EM-Modellen der Mikrotubuli-gebundenen Kinesinstruktur, die den Anfangs- und Endzustand des Prozesses darstellen, aber die genauen Details des Übergangs zwischen den Strukturen nicht auflösen können.

Theoretische Modellierung

Eine Reihe von theoretischen Modellen des molekularen Motorproteins Kinesin wurde vorgeschlagen. Angesichts der verbleibenden Unsicherheiten über die Rolle von Proteinstrukturen, die genaue Art und Weise, wie Energie aus ATP in mechanische Arbeit umgewandelt wird, und die Rolle von thermischen Fluktuationen stoßen theoretische Untersuchungen auf viele Herausforderungen. Dies ist ein ziemlich aktives Forschungsgebiet. Es besteht insbesondere Bedarf an Ansätzen, die eine bessere Verknüpfung mit der molekularen Architektur des Proteins und Daten aus experimentellen Untersuchungen herstellen.

Die Dynamik einzelner Moleküle ist bereits gut beschrieben, aber es scheint, dass diese nanoskaligen Maschinen typischerweise in großen Teams arbeiten.

Die Einzelmoleküldynamik basiert auf den unterschiedlichen chemischen Zuständen des Motors und Beobachtungen seiner mechanischen Schritte. Bei geringen Konzentrationen von Adenosindiphosphat wird das Verhalten des Motors durch die Konkurrenz zweier chemomechanischer Motorzyklen bestimmt, die die Stallkraft des Motors bestimmen. Ein dritter Zyklus wird für große ADP-Konzentrationen wichtig. Auch Modelle mit einem einzigen Zyklus wurden diskutiert. Seiferth et al. demonstrierten, wie sich Größen wie die Geschwindigkeit oder die Entropieproduktion eines Motors ändern, wenn benachbarte Zustände in einem multizyklischen Modell zusammengeführt werden, bis schließlich die Anzahl der Zyklen reduziert wird.

Neuere experimentelle Forschungen haben gezeigt, dass Kinesine, während sie sich entlang von Mikrotubuli bewegen, miteinander wechselwirken, wobei die Wechselwirkungen kurzreichweit und schwach anziehend sind (1.6±0.5 K B T). Ein entwickeltes Modell berücksichtigt diese Teilchenwechselwirkungen, wobei sich die dynamischen Geschwindigkeiten entsprechend mit der Wechselwirkungsenergie ändern. Wenn die Energie positiv ist, ist die Rate der Bildung von Anleihen (q) höher, während die Rate der Auflösung von Anleihen (r) niedriger ist. Man kann verstehen, dass die Eintritts- und Austrittsrate in den Mikrotubulus auch durch die Energie verändert wird (siehe Abbildung 1 in Lit. 30). Wenn der zweite Platz belegt ist, beträgt die Eintrittsrate α*q, und wenn der vorletzte Platz belegt ist, beträgt die Austrittsrate β*r. Dieser theoretische Ansatz stimmt mit den Ergebnissen von Monte-Carlo-Simulationen für dieses Modell überein, insbesondere für den Grenzfall sehr großer negativer Energie. Der normale total asymmetrische einfache Ausschlussprozess für (oder TASEP) Ergebnisse kann aus diesem Modell wiederhergestellt werden, indem die Energie gleich Null wird.

Mitose

In den letzten Jahren wurde festgestellt, dass auf Mikrotubuli basierende molekulare Motoren (einschließlich einer Reihe von Kinesinen) eine Rolle bei der Mitose (Zellteilung) spielen. Kinesine sind wichtig für die richtige Spindellänge und sind am Auseinandergleiten von Mikrotubuli innerhalb der Spindel während der Prometaphase und Metaphase sowie am Depolymerisieren von Mikrotubuli-Minus-Enden an Zentrosomen während der Anaphase beteiligt. Insbesondere wirken Proteine ​​der Kinesin-5-Familie innerhalb der Spindel, um Mikrotubuli auseinander zu schieben, während die Kinesin-13- Familie Mikrotubuli depolymerisiert.

Mitglieder der Kinesin-Superfamilie

Zu den Mitgliedern der menschlichen Kinesin-Superfamilie gehören die folgenden Proteine, die in der von der Gemeinschaft der Kinesin-Forscher entwickelten standardisierten Nomenklatur in 14 Familien mit den Namen Kinesin-1 bis Kinesin-14 organisiert sind:

Kinesin-1-Leichtketten:

Kinesin-2-assoziiertes Protein:

  • KIFAP3 (auch bekannt als KAP-1, KAP3)

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links