Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato

Dineina


Molecola del Mese di Agosto 2014
Parole chiave: Motore molecolare, trasporto, AAA+, microtubulo, tubulina

Introduzione
Le nostre cellule utilizzano tre tipi di motori molecolari, tutti azionati da ATP, per trasportare i più svariati oggetti. La miosina è un motore molecolare che si muove lungo filamenti di actina, produce la contrazione muscolare, e trasporta anche molecole all'interno della cellula. La chinesina e la dineina, invece, si muovono lungo i microtubuli (mdm 7/2014), e trasportano il loro carico in direzioni opposte. Questi motori molecolari assicurano che ogni cosa sia sempre nel posto giusto al momento giusto.

Anello AAA+
La dineina si è rivelata una proteina molto difficile da studiare perchè è composta di molte parti mobili. La struttura mostrata qui (file PDB 3vkh) è quella più completa disponibile fino ad oggi. L'intero motore è formato da una sola lunga catena proteica che si piega per formare molti domini funzionali. Il cuore della dineina è formato da un anello di sei domini AAA+ (ATPasi Associate ad Attività cellulari), simili ai domini che favoriscono lo srotolamento delle proteine nelle proteasi AAA+ (mdm 8/2006). Uno di questi domini, chiamato AAA1, è mostrato in blu qui a destra, è connesso ad un linker e ad una lunga coda (entrambi magenta). La coda di solito collega insieme due molecole di dineina e si lega al carico che deve essere trasportato. Il dominio AAA4 forma un lungo stelo (stalk) che termina con un dominio in grado di legarsi al microtubulo, lo stelo è sostenuto da un corto pilastro (strut) che appartiene al dominio AAA5.

Nano-argano
I dettagli del colpo di forza della dineina sono ancora oggetto di studio, ma molti ricercatori paragonano la dineina ad un nano-argano. La rottura di ATP nel dominio AAA1 produce un'oscillazione del dominio linker che porta ad una rotazione di tutto l'anello dei domini AAA+. Questo movimento a scatto (forse grazie anche al pilastro presente nel dominio AA5) si propaga lungo lo stelo che si stacca dal microtubulo e si va a legare più avanti. Quando nel dominio AAA1 si lega un nuovo ATP, la testa della dineina ruota all'indietro e torna alla posizione originale trascinando in avanti, come un argano, il carico che trasporta.

Movimento passo passo
Anche i dettagli del movimento della dineina lungo i microtubuli sono ancora oggetto di studio, si è visto però che una singola molecola di dineina può compiere solo pochi passi lungo il microtubulo. L'unità funzionale della dineina, in grado di compiere migliaia di passi, è un dimero costituito da due molecole di dineina (mostrate qui a fianco in grigio scuro e grigio chiaro) unite tra loro attraverso la coda dove è legato anche il loro carico (giallo, indicato con T nella figura). Le due dineine sono legate con i loro steli a due microtubuli paralleli. I microtubuli (verdi) hanno un terminale capace di allungarsi che viene chiamato positivo (+) mentre l'altro è detto negativo (-). Chinesina e dineina si muovono lungo i microtubuli in direzioni opposte. Mentre la chinesina, si muove verso il terminale positivo, la dineina si muove verso il terminale negativo, di solito dalla periferia verso il centro della cellula. Le due dineine del dimero devono procedere in modo coordinato, una dineina può scattare in avanti solo quando l'altra ha terminato il proprio passo. Questo movimento passo passo si può ripetere migliaia di volte nel giro di qualche secondo e produce avanzamenti di alcuni micron. Mentre una molecola di dineina fa passi di 16 nm, il carico avanza con passi di 8 nm.









Realizzare il Legame

I ricercatori hanno studiato il legame tra dineina e microtubuli con la microscopia elettronica . La struttura che hanno ottenuto è mostrata qui a destra (file PDB 3j1t). Nell'immagine si vedono quattro catene di tubulina alfa e beta nei vari toni del blu (da sinistra alfa-beta-alfa-beta) ciè due dimeri consecutivi alfa-beta che costituiscono un tratto di microtubulo. Della dineina si vede un corto frammento dello stelo (giallo) che termina col dominio che lega il microtubulo. La struttura mostra che lo stelo di dineina si lega nella fenditura tra due dimeri successivi di tubulina e quindi tra la catena beta di un dimero e la catena alfa del dimero seguente. Ad ogni passo lo stelo avanza lungo il microtubulo di una lunghezza pari a due dimeri, cioè di circa 16 nm, mentre il carico (indicato con la lettera T nel disegno precedente) avanza di 8 nm cioè della lunghezza pari ad un singolo dimero.





Esplorando la Struttura
La dineina lega quattro ATP, ma solo uno è in grado di produrre il movimento a scatto ed è quello legato al dominio AAA1 (ciano) visibile in alto a sinistra nella figura qui a lato. Gli altri tre ATP (nei domini AAA2, AAA3 e AAA4) si pensa che abbiano solo una funzione regolatoria (file PDB 3vkh).


Nella figura qui sotto si può vedere in dettaglio la testa della dineina (immagini ottenute con Chimera)



Si vede che il dominio AA1 (ciano), nel quale avviene la rottura di ATP, è collegato in due modi al dominio AA4 (verde in basso a destra): sia attraverso il piano dell'anello di sei domini AAA+, sia con il linker che abbraccia diagonalmente la struttura. In questo modo, la deformazione a scatto che avviene in AAA1 in seguito alla rottura di ATP, si trasmette con forza fino al dominio AAA4 e di qui al punto di attacco dello stelo sul microtubulo.

Spunti per Ulteriori Approfondimenti
Molte proteine AAA+ sono formate da un anello di subunità identiche, ma la dineina ha una caratteristica molto particolare: le sue sei subunità sono connesse tra loro in un'unica catena proteica. Provate ad esaminare, per confronto, la struttura della proteasi AAA+ batterica HslUV (file PDB 1yyf) che è formata da sei catene che si intrecciano per formare un perfetto esagono.

Bibliografia
3vkh: T. Kon, T. Oyama, R. Shimo-Kon, K. Imamula, T. Shima, K. Sutoh & G. Kurisu (2012) The 2.8 A crystal structure of the dynein motor domain. Nature 484, 345-350.
3j1t: W. B. Redwine, R. Hernandez-Lopez, S. Zou, J. Huang, S. L. Reck-Peterson & A. E. Leschziner (2012) Structural basis for microtubule binding and release by dynein. Science 337, 1532-1536.
J. Lin, K. Okada, M. Raytchev, M. C. Smith & D. Nicastro (2014) Structural mechanism of the dynein power stroke. Nature Cell Biology 16, 479-485.


Codici PDB Correlati

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