Mikroszkopikus filmfelvétel segít megérteni az agyi fehérjék működését
Sejtjeink mikroszkopikus autópályákra és speciális fehérjejárművekre támaszkodnak, hogy mindent mozgassanak – a sejtorganellák (sejtszervecskék) pozicionálásától a fehérjeutasítások szállításán át a sejt hulladékok eltávolításáig. Ezek az autópályák (mikrotubulusok) és járművek (motoros fehérjék) elengedhetetlenek a sejtek létfenntartásához és működéséhez.
A motoros fehérjék és a hozzájuk kapcsolódó más fehérjék működési zavarai súlyos idegfejlődési és idegrendszeri degeneratív rendellenességekhez vezethetnek. Például a motorfehérje dynein partnerfehérjéjének, a Lis1-nek a működési zavara ritka, halálos születési rendellenességhez, az úgynevezett liszenkefáliához, vagy sima agyhoz vezethet, amire nincs gyógymód. Azonban a dynein vagy a Lis1 működését célzó és helyreállító terápiák megváltoztathatják ezeket a szomorú következményeket – és ezeknek a terápiáknak a kifejlesztése a dynein és a Lis1 kölcsönhatásának alapos megértésén múlik.
A Salk Intézet és a UC San Diego új kutatásában rövid filmeket készítettek arról, ahogy a Lis1 „bekapcsolja” a dyneint. A filmek segítségével a csapat 16 formát katalogizált, amelyeket a két fehérje kölcsönhatása során vesz fel, és ezek közül néhányat még soha nem láttak. Ezek az ismeretek alapvető fontosságúak lesznek a dynein és a Lis1 működését helyreállító jövőbeli terápiás szerek tervezéséhez, mivel rávilágítanak a gyógyszerek és a fehérjék kölcsönhatásának pontos helyeire. A kutatási eredményeket 2025. május 23-án publikálták a Nature Structural Molecular Biology folyóiratban.
„Mindig is érdekelték a motoros fehérjék, de a dynein különösen lenyűgöző számomra, mert ez az egyetlen motoros fehérje, amely a sejt közepe felé tud mozogni” – mondja Agnieszka Kendrick, a Salk Intézet adjunktusa, a tanulmány társszerzője. „A laboratóriumunkban rendelkezésre álló eszközök lehetővé tették, hogy valós időben készítsünk filmet a dynein és a Lis1 kölcsönhatásáról. Az együttműködésük lépésről lépésre történő részletes megfigyelése segít megtalálni a módját, hogy helyreállítsuk aktivitásukat idegrendszeri fejlődési zavarok vagy idegrendszeri károsodást okozó (neurodegeneratív) betegségek esetén.”
A dynein titkának feltárása
A dynein két azonos részből áll, amelyek mindegyike tartalmaz 1) egy szárat, amely a mikrotubulushoz kapcsolódik, 2) egy farokrészt, amely a fehérje által szállított anyaghoz kapcsolódik, és 3) egy motort, amely a mozgást biztosítja. A dynein fizikai mozgása kissé hasonlít a járáshoz: miközben a motor az ATP[1] nevű sejtüzemanyagot felhasználja, a szárak felváltva leválnak, előre lendülnek, majd újra kapcsolódnak az alatta lévő mikrotubulushoz.
Mivel a dynein egyirányú jegy a sejtmagban található értékes génkészlethez, működése szigorúan szabályozott. Amikor nem szállít semmit, teljesen leválik a mikrotubulusokból, és szabadon lebeg. Az elmúlt néhány évben Kendrick és kollégái annak kiderítésén dolgoztak, hogy a dynein hogyan nyílik ki.
A korábbi utatások azt mutatták, hogy a Lis1 kulcsszerepet játszik, beékelődik a dynein szerkezetébe, és kinyitja azt egy Chi nevű nyitott formába. Ezek a megállapítások azonban a dynein és a Lis1 különböző kölcsönhatási fázisaiban véletlenszerűen készített állóképeken alapultak. Bár ezekből a pillanatfelvételekből is sokat lehetett megtudni, a két fehérje kölcsönhatásának mélyebb megértéséhez csak azok működésének megfigyelése vezethetett.
Hogyan lép kölcsönhatásba a Lis1 és a dynein
„A dynein és a Lis1 képalkotására alkalmazott módszerünk átfogóbb, mint bármely korábbi, ezzel a fehérjével kapcsolatos kutatásé” – mondja Andres Leschziner, a tanulmány társszerzője, a UC San Diego professzora. „Képek helyett mozgóképet rögzítve 16 részletes, háromdimenziós alakzatot azonosítottunk, amelyeket a dynein akkor vesz fel, amikor kölcsönhatásba lép a Lis1-gyel – ezek közül többet mi rögzítettünk először.”
A csapat élesztőmodellt használt a dynein és a Lis1 rögzítésére, mivel – az emberi sejtekkel ellentétben – az élesztősejtek a dynein és a Lis1 szintjének megváltozása esetén is életben maradnak. Mivel a dynein szerkezete funkcionálisan azonos az emberi és az élesztősejtekben, az élesztő dyneinről szerzett ismereteinket az emberi dyneinre is alkalmazhatjuk.
Ezzel az élesztőmodellel a kutatók izolálták a dyneint és a Lis1-et, majd a hőmérsékletet drasztikusan csökkentették, hogy lelassítsák a dynein aktivitását. Ezután időfelbontású elektronmikroszkóppal (cryo-EM) nagy felbontású 3D-filmet készítettek a dynein és a Lis1 kölcsönhatásáról, amely a dynein Phi (zárt) és Chi (nyitott) állapotai közötti időtartamot ábrázolja.
A cryo-EM elektronnyalábokat használ egy molekula atomszintű részletességű 3D-képének elkészítéséhez. Korábbi tanulmányok cryo-EM-et és más képalkotó módszereket használtak a dynein zárolt és feloldott állapotának képeinek elkészítéséhez. Az időfelbontás azonban új elem. Ahelyett, hogy egyetlen struktúrát rögzítenének egy adott időpontban, az időfelbontású rögzítés különböző struktúrákat azonosít az idő függvényében, és ezekből készít filmet. Ez lehetővé tette a Salk és a UC San Diego tudósainak, hogy a másodperc alatt bekövetkező változásokat kövessék nyomon a dynein szerkezetében, és így lépésről lépésre megmagyarázzák a zárva és nyitott állapotok közötti átmenet folyamatát.
Az új videó azt mutatja, hogy a dynein aktiválásának első lépése a Lis1 csatlakozása a dynein motor alegységéhez. A dyneinhez hasonlóan a Lis1 is két azonos részből áll. Ebben az első kölcsönhatásban a Lis1 egyik fele csatlakozik a dyneinhez, ezáltal feloldva a dynein rögzített állapotát és bekapcsolva a motorját azáltal, hogy megváltoztatja alakját, hogy gyorsabb és hatékonyabb legyen az ATP – a természet energiamolekulája – felhasználása. Az ATP-vel működő motor bekapcsolása kulcsfontosságú a dynein sejt mikrotubulusokból álló autópályáin való mozgásának elindításához.
Ezután a Lis1 második fele kapcsolódik a dyneinhez, ezúttal a száron. Ez a második Lis1-interakció befejezi az aktiválást és megszilárdítja a dynein Chi állapotát. Ezenkívül tovább növeli a dynein motoros aktivitását, felpörgetve azt a cselekvésre.
A Lis1 és a dynein diszfunkciójának helyreállítása fejlődési és idegrendszeri rendellenességekben
„Ezek a felfedezések minden bizonnyal közelebb visznek minket ahhoz, hogy megértsük, miért van olyan pusztító hatása a Lis1 diszfunkciójának a dynein aktivitására, és hogyan járul ez hozzá a fejlődési és idegrendszeri rendellenességek kialakulásához” – mondja Kendrick. Minél többet tudunk e két fehérje fizikai szerkezetéről, annál könnyebb lesz olyan gyógyszereket kifejleszteni, amelyek „illeszkednek” ezekhez a szerkezetekhez és képesek helyreállítani annak működését.
[1] Az ATP, azaz az adenozin-trifoszfát, a sejtekben az energia közvetítő molekulája, és a sejt üzemanyagaként tekinthető. Segíti a sejteknek a működésüket, mint például a mozgás, a fehérje szintézis, és a DNS replikáció.