Дынейин ферменттері: құрылысы, қызметтері және вирустармен байланысы
Dynein
Дынейин ферменттері – жасушалардың микротүтікшелерімен қозғалатын, АТФ энергиясын механикалық жұмысқа айналдыратын моторлы ақуыздар. Ретроградты тасымалдау.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ферменттер класы
Class of enzymes
Динеиндер – жасушаларда микротүтіктер бойымен қозғалатын цитоскелеттік моторлы ақуыздар тобы. Олар АТФ-та жиналған химиялық энергияны механикалық жұмысқа айналдырады. Динеин әртүрлі жасушалық жүктерді тасымалдайды, митоз кезінде маңызды күштер мен орын ауыстыруларды қамтамасыз етеді және эукариоттық кірпікшелер мен қамшылардың қозғалысын қамтиды. Бұл функциялардың бәрі динеиннің микротүтіктердің теріс ұшына қарай қозғалу қабілетіне байланысты, бұл ретроградты тасымалдау деп аталады; сондықтан оларды "теріс ұшқа бағытталған моторлар" деп атайды. Керісінше, көптеген кинезин моторлы ақуыздар микротүтіктердің оң ұшына қарай қозғалады, бұл антероградты тасымалдау деп аталады.
Dyneins are a family of cytoskeletal motor proteins that move along microtubules in cells. They convert the chemical energy stored in ATP to mechanical work. Dynein transports various cellular cargos, provides forces and displacements important in mitosis, and drives the beat of eukaryotic cilia and flagella. All of these functions rely on dynein's ability to move towards the minus end of the microtubules, known as retrograde transport; thus, they are called "minus end directed motors". In contrast, most kinesin motor proteins move toward the microtubules' plus end, in what is called anterograde transport.
Функция
Аксонемалық динеин кірпікшелер мен қамшылардың аксонемаларындағы микротүтікшелердің сығуын қамтамасыз етеді және тек осы құрылымдары бар жасушаларда ғана табылады. Барлық жануар жасушаларында және, мүмкін, өсімдік жасушаларында кездесетін цитоплазмалық динеин, органеллалардың тасымалы және центросомалардың құрастырылуы сияқты жасушаның тірі қалуы үшін қажетті функцияларды атқарады. Цитоплазмалық динеин микротүтікше бойымен процессивно қозғалады; яғни, оның сабақтарының бірі әрқашан микротүтікшеге бекітілгендіктен, динеин микротүтікше бойымен үзіліссіз айтарлықтай қашықтыққа "жүре" алады. Цитоплазмалық динеин Гольджи кешенін және жасуша ішіндегі басқа органеллалардың орналасуына көмектеседі. Динеин органеллаларды, көпіршіктерді және, мүмкін, микротүтікше фрагменттерін нейрондардың аксондары арқылы жасуша денесіне қарай ретроградты аксоналдық тасымалдау процесінде тасымалдайды.
Axonemal dynein causes sliding of microtubules in the axonemes of cilia and flagella and is found only in cells that have those structures. Cytoplasmic dynein, found in all animal cells and possibly plant cells as well, performs functions necessary for cell survival such as organelle transport and centrosome assembly. Cytoplasmic dynein moves processively along the microtubule; that is, one or the other of its stalks is always attached to the microtubule so that the dynein can "walk" a considerable distance along a microtubule without detaching. Cytoplasmic dynein helps to position the Golgi complex and other organelles in the cell. Dynein carries organelles, vesicles and possibly microtubule fragments along the axons of neurons toward the cell body in a process called retrograde axonal transport.
Митоздық шпиндельді орналастыру
Цитоплазмалық динеин цитокинез орнында жасуша қабығына бекітіліп, центросомадан шығатын астральдық микротубулаларды тартып, осы арқылы жіпшелерді дұрыс орналастырады. МТИ-де докторантурадан кейінгі студент кезінде Томоми Кийомицу динеиннің митоз метафазасы кезінде клетканың ортасында хромосомаларды реттеуде моторлық белок ретінде қалай атқаратынын ашты. Динеин микротубулалар мен хромосомаларды клетканың бір жағына тартады. Микротубулалардың ұштары жасуша мембранасына жақындағанда, олар химиялық сигнал жіберіп, динеинды клетканың екінші жағына қайтарады. Бұл процесті қайталап орындау арқылы хромосомалар клетканың ортасына жиналады, бұл митоз үшін қажетті жағдай. Будда ашытқылары осы процесті зерттеу үшін тиімді модельді организм болып табылады және динеиннің астральдық микротубулалардың плюс ұштарына бағытталатынын және жүктеме механизмі арқылы жасуша қабығына жеткізілетінін көрсетті.
Cytoplasmic dynein positions the spindle at the site of cytokinesis by anchoring to the cell cortex and pulling on astral microtubules emanating from centrosome. While a postdoctoral student at MIT, Tomomi Kiyomitsu discovered how dynein has a role as a motor protein in aligning the chromosomes in the middle of the cell during the metaphase of mitosis. Dynein pulls the microtubules and chromosomes to one end of the cell. When the end of the microtubules become close to the cell membrane, they release a chemical signal that punts the dynein to the other side of the cell. It does this repeatedly so the chromosomes end up in the center of the cell, which is necessary in mitosis. Budding yeast have been a powerful model organism to study this process and has shown that dynein is targeted to plus ends of astral microtubules and delivered to the cell cortex via an offloading mechanism.
Вирустың көбеюі
Динеин және кинезин вирустардың вирустық репликация процесін орындау үшін пайдаланылуы мүмкін. Көптеген вирустар жасушалық мембранаға енгеннен кейін нуклеин қышқылы/ақуыз ядроларын жасуша ішіндегі репликация орындарына жеткізу үшін микротүтікшелік тасымалдау жүйесін пайдаланады. Вирустың моторлық-спецификалық байланысу орындары туралы көп мәлімет жоқ, бірақ кейбір вирустарда пролинге бай тізбектер болатыны белгілі (бұл тізбектер вирустар арасында әртүрлі), оларды жою динактинмен байланысуды, аксондық тасымалды (жасуша культурасында) және тірі организмде нейроинвазияны азайтады. Бұл пролинге бай тізбектер динеинмен байланысу үшін маңызды орын болуы мүмкін екенін көрсетеді.
Dynein and kinesin can both be exploited by viruses to mediate the viral replication process. Many viruses use the microtubule transport system to transport nucleic acid/protein cores to intracellular replication sites after invasion host the cell membrane. Not much is known about virus' motor specific binding sites, but it is known that some viruses contain proline rich sequences (that diverge between viruses) which, when removed, reduces dynactin binding, axon transport (in culture), and neuroinvasion in vivo. This suggests that proline rich sequences may be a major binding site that co opts dynein.
Құрылымы
Динеин моторының әрбір молекуласы көптеген кіші полипептидтік бөліктерден құралған күрделі ақуыз жиынтығы болып табылады. Цитоплазмалық және аксонемалық динеиндердің кейбірі ортақ компоненттерге ие, бірақ оларда сонымен қатар ерекше бөліктер де бар.
Each molecule of the dynein motor is a complex protein assembly composed of many smaller polypeptide subunits. Cytoplasmic and axonemal dynein contain some of the same components, but they also contain some unique subunits.
Цитоплазмалық динеин
Цитоплазмалық динеиннің молекулалық массасы шамамен 1,5 мегадальтон (MDa) шамасында, шамамен он екі полипептидтік кішібірліктерді қамтитын димерлердің димері: екі бірдей "салмақты тізбегі", 520 кДа массасы, олар АТФаза активтілігін қамтиды және осылайша микротубула бойымен қозғалыс жасауға жауапты; динеинді жүкке бекітеді деп есептелетін екі 74 кДа аралық тізбегі; екі 53–59 кДа жеңіл аралық тізбегі; және бірнеше жеңіл тізбегі. Әр динеин салмақты тізбегінің күш тудыратын АТФаза активтілігі оның басқа ААА белоктарына қатысты үлкен донат тәрізді "басында" орналасқан, ал басқа цитоплазмалық құрылымдарға екі проекция байланыстырады. Бір проекция, орамдалған сабақ, микротубула бетінде ажырау және қайта қосылу циклы арқылы "жүреді". Екінші проекция, созылған құйрық, динеинді жүкке қосатын жеңіл аралық, аралық және жеңіл тізбекті кішібірліктерге байланады. Толық цитоплазмалық динеин қозғалтқышында жұптасқан салмақты тізбектердің кезектесіп белсенділігі бір динеин молекуласының микротубула бойымен толық ажырамай, едәуір қашықтықты "жүру" арқылы жүгін тасымалдауына мүмкіндік береді. Динеиннің апо-күйінде мотор нуклеотидсіз, ААА домендік сақина ашық конформацияда, ал МТБД жоғары байланысу күйде болады. ААА домендері туралы көп нәрсе белгісіз, бірақ ААА1 динеиндегі АТФ гидролизінің негізгі орны ретінде жақсы қалыптасқан. АТФ ААА1-ге байланғанда, ол ААА домендік сақинаның конформациялық өзгеруін бастайды, ол "жабық" конфигурацияға, тіректің қозғалысына айналады. Байланыстырушы бүгіліп, ААА5-тен ААА2-ге ауысады, ал ААА1-ге байланған күйінде қалады және сабақты бұрады. АТФ гидролизінен кейін сабақ айналып, динеинді МТ бойымен жылжытады. Фосфат босағаннан кейін МТБД жоғары байланысу күйіне оралады және МТ-ны қайта байлайды, бұл күштік соққыны іске қосады. Три-кешен, динеин, динактин және жүк адапторын қамтиды, өте процессивті және жүктің жасуша ішіндегі бағытына жету үшін ажырамай ұзақ қашықтыққа жүре алады. Осы уақытқа дейін анықталған жүк адаптерлері: BicD2, Hook3, FIP3 және Spindly. Басқа құйрық кішібірліктері де динеин-динактин-BicD2 төмен ажыратылымды құрылымынан көрініп тұрғандай, осы өзара әрекеттесуді жеңілдетуге көмектеседі. Динеиннің жасушалардағы моторлық реттелуінің негізгі түрі – динактин. Ол цитоплазмалық динеиннің барлық функциялары үшін қажет болуы мүмкін. Қазіргі уақытта бұл динеиннің ең жақсы зерттелген серіктесі. Динактин – цитоплазмалық динеинге байланысу арқылы жасуша ішіндегі тасымалдауға көмектесетін белок. Динактин басқа белоктардың байланысуы үшін іргетас ретінде қызмет ете алады. Сонымен қатар, ол динеинді тиісті жерге орналастыратын рекрутингтік фактор ретінде жұмыс істейді. Сондай-ақ, оның кинезин 2-ні реттейтіндігіне қатысты деректер бар. Динактин кешені 20-дан астам кішібірліктерден тұрады. Динактиннің өзі мотордың жылдамдығына әсер ететіндігіне нақты дәлел жоқ. Алайда, ол мотордың процессивностіне әсер етеді. Байланыс реттелуі, бәлкім, аллостериялық: эксперименттер көрсеткендей, динеин мотордың процессивностін жақсартулар микротубульдерге p150 суббұрындысының байланысу доменінен тәуелді емес.
Cytoplasmic dynein, which has a molecular mass of about 1.5 megadaltons (MDa), is a dimer of dimers, containing approximately twelve polypeptide subunits: two identical "heavy chains", 520 kDa in mass, which contain the ATPase activity and are thus responsible for generating movement along the microtubule; two 74 kDa intermediate chains which are believed to anchor the dynein to its cargo; two 53–59 kDa light intermediate chains; and several light chains. The force generating ATPase activity of each dynein heavy chain is located in its large doughnut shaped "head", which is related to other AAA proteins, while two projections from the head connect it to other cytoplasmic structures. One projection, the coiled coil stalk, binds to and "walks" along the surface of the microtubule via a repeated cycle of detachment and reattachment. The other projection, the extended tail, binds to the light intermediate, intermediate and light chain subunits which attach dynein to its cargo. The alternating activity of the paired heavy chains in the complete cytoplasmic dynein motor enables a single dynein molecule to transport its cargo by "walking" a considerable distance along a microtubule without becoming completely detached. In the apo state of dynein, the motor is nucleotide free, the AAA domain ring exists in an open conformation, and the MTBD exists in a high affinity state. Much about the AAA domains remains unknown, but AAA1 is well established as the primary site of ATP hydrolysis in dynein. When ATP binds to AAA1, it initiates a conformational change of the AAA domain ring into the “closed” configuration, movement of the buttress, The linker becomes bent and shifts from AAA5 to AAA2 while remaining bound to AAA1. and kinking the stalk. Following hydrolysis of ATP, the stalk rotates, moving dynein further along the MT. Upon the release of the phosphate, the MTBD returns to a high affinity state and rebinds the MT, triggering the power stroke. The linker returns to a straight conformation and swings back to AAA5 from AAA2 and creates a lever action, producing the greatest displacement of dynein achieved by the power stroke The tri complex, which includes dynein, dynactin and a cargo adaptor, is ultra processive and can walk long distances without detaching in order to reach the cargo's intracellular destination. Cargo adaptors identified thus far include BicD2, Hook3, FIP3 and Spindly. The other tail subunits may also help facilitate this interaction as evidenced in a low resolution structure of dynein dynactin BicD2. One major form of motor regulation within cells for dynein is dynactin. It may be required for almost all cytoplasmic dynein functions. Currently, it is the best studied dynein partner. Dynactin is a protein that aids in intracellular transport throughout the cell by linking to cytoplasmic dynein. Dynactin can function as a scaffold for other proteins to bind to. It also functions as a recruiting factor that localizes dynein to where it should be. There is also some evidence suggesting that it may regulate kinesin 2. The dynactin complex is composed of more than 20 subunits, There is no definitive evidence that dynactin by itself affects the velocity of the motor. It does, however, affect the processivity of the motor. The binding regulation is likely allosteric: experiments have shown that the enhancements provided in the processivity of the dynein motor do not depend on the p150 subunit binding domain to the microtubules.
Аксонемальдық динеин
Аксонемальды динеиндер бір, екі немесе үш бір-бірінен өзгеше ауыр тізбектерді (организм мен кірпікшедегі орналасуына байланысты) қамтитын бірнеше түрге ие. Әр ауыр тізбекте басқа ААА белоктарына ұқсас донат тәрізді құрылымы бар шар тәрізді моторлық домен, микротүтікке байланысатын спираль тәрізді "сабақ" және сол аксонеманың жанындағы микротүтікке жалғасатын созылған құйрық (немесе "сабау") болады. Осылайша, әр динеин молекуласы кірпікше аксонемасының екі іргелес микротүтіктері арасында көпір құрайды. Қозғалысты тудыратын "қуатты соққы" кезінде ААА АТФаза моторлық доменінің конформациялық өзгеруі микротүтікке байланысқан сабақтың жүкке байланысқан құйрығына қатысты бұрылуына әкеледі, нәтижесінде бір микротүтік екіншісіне қатысты сығады (Karp, 2005). Бұл сығу кірпікшенің жасушаны немесе басқа бөлшектерді соғуы мен жылжытуы үшін қажетті иілу қозғалысын тудырады. Қарсы бағытта қозғалуға жауапты динеин молекулаларының топтары кірпікшелердің немесе қамшының алға-артқа қозғалуы үшін үйлесімді түрде белсендіріледі және белсенділігі тоқтатылады. Радиалды спица бұл қозғалысты синхрондаушы құрылым ретінде ұсынылған. Аксонемальды динеин активтілігін реттеу қамшының соққы жиілігі мен кірпікше толқынының пішіні үшін маңызды. Аксонемальды динеиннің реттелу әдістеріне фосфорилдану, тотығу және кальций жатады. Аксонемаға түсетін механикалық күштер де аксонемальды динеиннің жұмысына әсер етеді. Аксонемальды динеиннің ішкі және сыртқы қолдарының ауыр тізбектері микротүтіктердің сығу жылдамдығын бақылау үшін фосфорилдалады/дефосфорилдалады. Аксонемалық динеиннің басқа қолдарымен байланысты тиоредоксиндер динеиннің аксонемада қай жерге байланысатынын реттеу үшін тотықтырылады/тотықсыздандырылады. Центрин және сыртқы аксонемальды динеин қолдарының құраушылары кальций концентрациясының өзгеруін анықтайды. Кальций концентрациясының өзгеруі кірпікше толқынының пішіні мен қамшының соққы жиілігін өзгертуде маңызды рөл атқарады (King, 2012).
Axonemal dyneins come in multiple forms that contain either one, two or three non identical heavy chains (depending upon the organism and location in the cilium). Each heavy chain has a globular motor domain with a doughnut shaped structure believed to resemble that of other AAA proteins, a coiled coil "stalk" that binds to the microtubule, and an extended tail (or "stem") that attaches to a neighboring microtubule of the same axoneme. Each dynein molecule thus forms a cross bridge between two adjacent microtubules of the ciliary axoneme. During the "power stroke", which causes movement, the AAA ATPase motor domain undergoes a conformational change that causes the microtubule binding stalk to pivot relative to the cargo binding tail with the result that one microtubule slides relative to the other (Karp, 2005). This sliding produces the bending movement needed for cilia to beat and propel the cell or other particles. Groups of dynein molecules responsible for movement in opposite directions are probably activated and inactivated in a coordinated fashion so that the cilia or flagella can move back and forth. The radial spoke has been proposed as the (or one of the) structures that synchronizes this movement. The regulation of axonemal dynein activity is critical for flagellar beat frequency and cilia waveform. Modes of axonemal dynein regulation include phosphorylation, redox, and calcium. Mechanical forces on the axoneme also affect axonemal dynein function. The heavy chains of inner and outer arms of axonemal dynein are phosphorylated/dephosphorylated to control the rate of microtubule sliding. Thioredoxins associated with the other axonemal dynein arms are oxidized/reduced to regulate where dynein binds in the axoneme. Centerin and components of the outer axonemal dynein arms detect fluctuations in calcium concentration. Calcium fluctuations play an important role in altering cilia waveform and flagellar beat frequency (King, 2012).
Тарих
Шер мен жалаушалардың қозғалысына жауапты белок алғаш рет 1963 жылы табылып, динеин деп аталды (Karp, 2005). 20 жыл өткен соң, флагельдік динеин табылғалы бері бар деп болжанған цитоплазмалық динеин оқшауланып, сәйкестендірілді (Karp, 2005).
The protein responsible for movement of cilia and flagella was first discovered and named dynein in 1963 (Karp, 2005). 20 years later, cytoplasmic dynein, which had been suspected to exist since the discovery of flagellar dynein, was isolated and identified (Karp, 2005).
Миоз кезінде хромосомалардың бөлінуі
Гомологты хромосомалардың клетканың қарама-қарсы полюстеріне бөлінуі мейоздың бірінші бөліну кезінде жүзеге асады. Дұрыс бөліну – хромосомалардың қалыпты жиынтығымен гаплоидты мейоз өнімдерін жасау үшін маңызды. Хиазмалардың (кроссинговер оқиғалары) пайда болуы көбінесе дұрыс бөлінуге көмектеседі. Дегенмен, Schizosaccharomyces pombe ашытқысында хиазмалар болмаған жағдайда, динеин бөлінуді қамтамасыз етеді. Динеиннің моторлық суббірлігі Dhc1 хромосомалық бөліну үшін хиазмалардың болуына және болмауына қарамастан қажет. Динеиннің жеңіл тізбегі Dlc1 ақуызы да бөліну үшін қажет, әсіресе хиазмалар болмаған кезде.
Segregation of homologous chromosomes to opposite poles of the cell occurs during the first division of meiosis. Proper segregation is essential for producing haploid meiotic products with a normal complement of chromosomes. The formation of chiasmata (crossover recombination events) appears to generally facilitate proper segregation. However, in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe, when chiasmata are absent, dynein promotes segregation. Dhc1, the motor subunit of dynein, is required for chromosomal segregation in both the presence and absence of chiasmata. The dynein light chain Dlc1 protein is also required for segregation, specifically when chiasmata are absent.