Las dineínas son una familia de proteínas motoras del citoesqueleto que se desplazan a lo largo de los microtúbulos de las células . Convierten la energía química almacenada en el ATP en trabajo mecánico . La dineína transporta diversas cargas celulares , proporciona fuerzas y desplazamientos importantes en la mitosis e impulsa el ritmo de los cilios y flagelos eucariotas . Todas estas funciones dependen de la capacidad de la dineína de moverse hacia el extremo negativo de los microtúbulos, conocido como transporte retrógrado ; por lo tanto, se denominan "motores dirigidos al extremo negativo". Por el contrario, la mayoría de las proteínas motoras de quinesina se mueven hacia el extremo positivo de los microtúbulos, en lo que se denomina transporte anterógrado .
Las dineínas se pueden dividir en dos grupos: dineínas citoplasmáticas y dineínas axonemales , también llamadas dineínas ciliares o flagelares.
La dineína axonemal provoca el deslizamiento de los microtúbulos en los axonemas de los cilios y flagelos y se encuentra únicamente en células que tienen esas estructuras.
La dineína citoplasmática, presente en todas las células animales y posiblemente también en las vegetales, desempeña funciones necesarias para la supervivencia celular, como el transporte de orgánulos y el ensamblaje del centrosoma . [1] La dineína citoplasmática se mueve de forma procesiva a lo largo del microtúbulo; es decir, uno u otro de sus tallos está siempre unido al microtúbulo, de modo que la dineína puede "caminar" una distancia considerable a lo largo de un microtúbulo sin desprenderse.
La dineína citoplasmática ayuda a posicionar el complejo de Golgi y otros orgánulos en la célula. [1] También ayuda a transportar la carga necesaria para la función celular, como las vesículas producidas por el retículo endoplasmático , los endosomas y los lisosomas (Karp, 2005). La dineína está involucrada en el movimiento de los cromosomas y en el posicionamiento de los husos mitóticos para la división celular. [2] [3] La dineína transporta orgánulos, vesículas y posiblemente fragmentos de microtúbulos a lo largo de los axones de las neuronas hacia el cuerpo celular en un proceso llamado transporte axonal retrógrado . [1] Además, el motor de dineína también es responsable del transporte de endosomas degradativos de forma retrógrada en las dendritas. [4]
La dineína citoplasmática posiciona el huso en el sitio de la citocinesis al anclarse a la corteza celular y tirar de los microtúbulos astrales que emanan del centrosoma . Mientras era estudiante de postdoctorado en el MIT, Tomomi Kiyomitsu descubrió cómo la dineína tiene un papel como proteína motora en la alineación de los cromosomas en el medio de la célula durante la metafase de la mitosis. La dineína tira de los microtúbulos y cromosomas hacia un extremo de la célula. Cuando el extremo de los microtúbulos se acerca a la membrana celular, liberan una señal química que empuja la dineína hacia el otro lado de la célula. Hace esto repetidamente para que los cromosomas terminen en el centro de la célula, lo cual es necesario en la mitosis. [5] [6] [7] [8] La levadura en ciernes ha sido un organismo modelo poderoso para estudiar este proceso y ha demostrado que la dineína se dirige a los extremos positivos de los microtúbulos astrales y se entrega a la corteza celular a través de un mecanismo de descarga. [9] [10]
Los virus pueden aprovechar tanto la dineína como la kinesina para mediar en el proceso de replicación viral. Muchos virus utilizan el sistema de transporte de microtúbulos para transportar los núcleos de ácidos nucleicos y proteínas a los sitios de replicación intracelular después de invadir la membrana celular. [11] No se sabe mucho sobre los sitios de unión específicos de los motores de los virus, pero se sabe que algunos virus contienen secuencias ricas en prolina (que divergen entre virus) que, cuando se eliminan, reducen la unión de la dineína , el transporte axonal (en cultivo) y la neuroinvasión in vivo. [12] Esto sugiere que las secuencias ricas en prolina pueden ser un sitio de unión importante que coopta la dineína.
Cada molécula del motor de dineína es un complejo conjunto proteico compuesto por muchas subunidades polipeptídicas más pequeñas . La dineína citoplasmática y la axonemal contienen algunos de los mismos componentes, pero también contienen algunas subunidades únicas.
La dineína citoplasmática, que tiene una masa molecular de aproximadamente 1,5 megadaltons (MDa), es un dímero de dímeros, que contiene aproximadamente doce subunidades polipeptídicas: dos "cadenas pesadas" idénticas, de 520 kDa de masa, que contienen la actividad ATPasa y, por lo tanto, son responsables de generar movimiento a lo largo del microtúbulo; dos cadenas intermedias de 74 kDa que se cree que anclan la dineína a su carga; dos cadenas intermedias ligeras de 53-59 kDa; y varias cadenas ligeras.
La actividad de ATPasa generadora de fuerza de cada cadena pesada de dineína se encuentra en su gran "cabeza" con forma de rosquilla, que está relacionada con otras proteínas AAA , mientras que dos proyecciones de la cabeza la conectan con otras estructuras citoplasmáticas. Una proyección, el tallo en espiral, se une y "camina" a lo largo de la superficie del microtúbulo a través de un ciclo repetido de desprendimiento y reconexión. La otra proyección, la cola extendida, se une a las subunidades de cadena intermedia ligera, intermedia y ligera que unen la dineína a su carga. La actividad alternante de las cadenas pesadas pareadas en el motor citoplasmático completo de dineína permite que una sola molécula de dineína transporte su carga "caminando" una distancia considerable a lo largo de un microtúbulo sin desprenderse por completo.
En el estado apo de la dineína, el motor está libre de nucleótidos, el anillo del dominio AAA existe en una conformación abierta, [14] y el MTBD existe en un estado de alta afinidad. [15] Mucho sobre los dominios AAA sigue siendo desconocido, [16] pero AAA1 está bien establecido como el sitio primario de hidrólisis de ATP en la dineína. [17] Cuando el ATP se une a AAA1, inicia un cambio conformacional del anillo del dominio AAA en la configuración "cerrada", el movimiento del contrafuerte, [14] y un cambio conformacional en el enlazador. [18] [19] El enlazador se dobla y cambia de AAA5 a AAA2 mientras permanece unido a AAA1. [14] [19] Una alfa -hélice unida del tallo es tirada por el contrafuerte, deslizando la hélice media repetición de heptada en relación con su pareja de bobina enrollada, [15] [20] y doblando el tallo. [14] Como resultado, el MTBD de la dineína entra en un estado de baja afinidad, lo que permite que el motor se mueva a nuevos sitios de unión. [21] [22] Después de la hidrólisis de ATP, el tallo gira, moviendo la dineína más a lo largo del MT. [18] Tras la liberación del fosfato, el MTBD vuelve a un estado de alta afinidad y se vuelve a unir al MT, lo que desencadena el golpe de potencia. [23] El enlazador vuelve a una conformación recta y oscila de nuevo a AAA5 desde AAA2 [24] [25] y crea una acción de palanca, [26] produciendo el mayor desplazamiento de dineína logrado por el golpe de potencia [18] El ciclo concluye con la liberación de ADP, que devuelve el anillo del dominio AAA a la configuración "abierta". [22]
La dineína de levadura puede caminar a lo largo de los microtúbulos sin desprenderse, sin embargo, en los metazoos, la dineína citoplasmática debe ser activada por la unión de dinactina , otra proteína multisubunidad que es esencial para la mitosis y un adaptador de carga. [27] El tricomplejo, que incluye dineína, dinactina y un adaptador de carga, es ultraprocesivo y puede caminar largas distancias sin desprenderse para alcanzar el destino intracelular de la carga. Los adaptadores de carga identificados hasta ahora incluyen BicD2 , Hook3 , FIP3 y Spindly. [27] La cadena intermedia ligera, que es miembro de la superfamilia Ras , media la unión de varios adaptadores de carga al motor de dineína. [28] Las otras subunidades de la cola también pueden ayudar a facilitar esta interacción como se evidencia en una estructura de baja resolución de dineína-dinactina-BicD2. [29]
Una forma importante de regulación motora dentro de las células para la dineína es la dinactina. Puede ser necesaria para casi todas las funciones de la dineína citoplasmática. [30] Actualmente, es el socio de la dineína mejor estudiado. La dinactina es una proteína que ayuda en el transporte intracelular a través de la célula al unirse a la dineína citoplasmática. La dinactina puede funcionar como un andamio al que se pueden unir otras proteínas. También funciona como un factor de reclutamiento que localiza la dineína donde debería estar. [31] [32] También hay alguna evidencia que sugiere que puede regular la kinesina-2. [33] El complejo de dinactina está compuesto por más de 20 subunidades, [29] de las cuales p150(Glued) es la más grande. [34] No hay evidencia definitiva de que la dinactina por sí sola afecte la velocidad del motor. Sin embargo, sí afecta la procesividad del motor. [35] Es probable que la regulación de la unión sea alostérica: los experimentos han demostrado que las mejoras proporcionadas en la procesividad del motor de dineína no dependen del dominio de unión de la subunidad p150 a los microtúbulos. [36]
Las dineínas axonemales se presentan en múltiples formas que contienen una, dos o tres cadenas pesadas no idénticas (dependiendo del organismo y la ubicación en el cilio ). Cada cadena pesada tiene un dominio motor globular con una estructura en forma de rosquilla que se cree que se asemeja a la de otras proteínas AAA , un "tallo" en espiral que se une al microtúbulo y una cola extendida (o "tallo") que se une a un microtúbulo vecino del mismo axonema . Cada molécula de dineína forma así un puente cruzado entre dos microtúbulos adyacentes del axonema ciliar. Durante el "golpe de potencia", que provoca el movimiento, el dominio motor de la ATPasa AAA sufre un cambio conformacional que hace que el tallo de unión de los microtúbulos pivote con respecto a la cola de unión de la carga, con el resultado de que un microtúbulo se desliza con respecto al otro (Karp, 2005). Este deslizamiento produce el movimiento de flexión necesario para que los cilios golpeen e impulsen la célula u otras partículas. Los grupos de moléculas de dineína responsables del movimiento en direcciones opuestas probablemente se activan y desactivan de manera coordinada para que los cilios o flagelos puedan moverse hacia adelante y hacia atrás. Se ha propuesto que el radio radial es la estructura (o una de las estructuras) que sincroniza este movimiento.
La regulación de la actividad de la dineína axonemal es fundamental para la frecuencia del batido flagelar y la forma de onda de los cilios. Los modos de regulación de la dineína axonemal incluyen la fosforilación, la oxidación-reducción y el calcio. Las fuerzas mecánicas sobre el axonema también afectan la función de la dineína axonemal. Las cadenas pesadas de los brazos interno y externo de la dineína axonemal se fosforilan/desfosforilan para controlar la velocidad de deslizamiento de los microtúbulos. Las tiorredoxinas asociadas con los otros brazos de la dineína axonemal se oxidan/reducen para regular el lugar donde se une la dineína en el axonema. La centerina y los componentes de los brazos externos de la dineína axonemal detectan fluctuaciones en la concentración de calcio. Las fluctuaciones de calcio desempeñan un papel importante en la alteración de la forma de onda de los cilios y la frecuencia del batido flagelar (King, 2012). [37]
La proteína responsable del movimiento de los cilios y flagelos fue descubierta por primera vez y denominada dineína en 1963 (Karp, 2005). 20 años más tarde, se aisló e identificó la dineína citoplasmática, cuya existencia se sospechaba desde el descubrimiento de la dineína flagelar (Karp, 2005).
La segregación de cromosomas homólogos a polos opuestos de la célula ocurre durante la primera división de la meiosis . La segregación adecuada es esencial para producir productos meióticos haploides con un complemento normal de cromosomas. La formación de quiasmas (eventos de recombinación cruzada) parece facilitar generalmente la segregación adecuada. Sin embargo, en la levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe , cuando los quiasmas están ausentes, la dineína promueve la segregación. [38] Dhc1, la subunidad motora de la dineína, es necesaria para la segregación cromosómica tanto en presencia como en ausencia de quiasmas. [38] La proteína de cadena ligera de dineína Dlc1 también es necesaria para la segregación, específicamente cuando faltan quiasmas.