Las dineínas son una familia de proteínas motoras citoesqueléticas que se mueven a lo largo de los microtúbulos de las células . Convierten la energía química almacenada en ATP en trabajo mecánico . La dineína transporta diversas cargas celulares , proporciona fuerzas y desplazamientos importantes en la mitosis e impulsa el latido de los cilios y flagelos eucariotas . Todas estas funciones dependen de la capacidad de la dineína para moverse hacia el extremo negativo de los microtúbulos, conocido como transporte retrógrado ; por eso se les llama "motores dirigidos por el extremo negativo". Por el contrario, la mayoría de las proteínas motoras cinesinas 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 , que también reciben el nombre de dineínas ciliares o flagelares.
La dineína axonemal provoca el deslizamiento de los microtúbulos en los axonemas de los cilios y flagelos y se encuentra sólo en las células que tienen esas estructuras.
La dineína citoplásmica, que se encuentra en todas las células animales y posiblemente también en las células vegetales, realiza funciones necesarias para la supervivencia celular, como el transporte de orgánulos y el ensamblaje del centrosoma . [1] La dineína citoplasmática se mueve procesivamente a lo largo del microtúbulo; es decir, uno u otro de sus tallos siempre está unido al microtúbulo de manera 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 de la célula. [1] También ayuda a transportar la carga necesaria para el funcionamiento celular, como las vesículas producidas por el retículo endoplásmico , los endosomas y los lisosomas (Karp, 2005). La dineína participa 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 retrógrado de endosomas degradativos en las dendritas. [4]
La dineína citoplasmática posiciona el huso en el sitio de la citocinesis anclándolo a la corteza celular y tirando de los microtúbulos astrales que emanan del centrosoma . Mientras era estudiante postdoctoral en el MIT, Tomomi Kiyomitsu descubrió cómo la dineína desempeña un papel como proteína motora en la alineación de los cromosomas en el centro de la célula durante la metafase de la mitosis. La dineína atrae los microtúbulos y los cromosomas hacia un extremo de la célula. Cuando el extremo de los microtúbulos se acerca a la membrana celular, liberan una señal química que envía la dineína al otro lado de la célula. Lo hace 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 poderoso organismo modelo 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 la dineína y la cinesina para mediar en el proceso de replicación viral. Muchos virus utilizan el sistema de transporte de microtúbulos para transportar núcleos de proteínas/ácidos nucleicos a sitios de replicación intracelulares después de la invasión de la membrana celular del huésped. [11] No se sabe mucho sobre los sitios de unión motores específicos 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 dinactina , el transporte de axones (en cultivo), y 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 conjunto proteico complejo compuesto de muchas subunidades polipeptídicas más pequeñas . La dineína citoplasmática y 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 megaltons (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 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 a 59 kDa; y varias cadenas ligeras.
La actividad ATPasa generadora de fuerza de cada cadena pesada de dineína se encuentra en su gran "cabeza" en 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 reinserción. La otra proyección, la cola extendida, se une a las subunidades intermedias, intermedias y de cadena ligera que unen la dineína a su carga. La actividad alterna 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] Aún se desconoce mucho sobre los dominios AAA, [16] pero AAA1 está bien establecido como el sitio principal de hidrólisis de ATP en dineína. [17] Cuando el ATP se une a AAA1, inicia un cambio conformacional del anillo del dominio AAA a la configuración "cerrada", el movimiento del contrafuerte, [14] y un cambio conformacional en el conector. [18] [19] El enlazador se dobla y cambia de AAA5 a AAA2 mientras permanece unido a AAA1. [14] [19] El contrafuerte tira de una hélice alfa adjunta del tallo, deslizando la hélice media repetición de heptada en relación con su pareja en espiral, [15] [20] y retorciendo 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 del ATP, el tallo gira, moviendo la dineína más a lo largo de la 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 vuelve 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 el lanzamiento de ADP, que devuelve el anillo de 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 activarse mediante la unión de la dinactina , otra proteína multisubunitaria 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 separarse para llegar al 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 en 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 necesario para casi todas las funciones de dineína citoplasmática. [30] Actualmente, es el socio de 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 unen 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 (pegado) 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] La regulación de la unión es probablemente 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 vienen en múltiples formas que contienen una, dos o tres cadenas pesadas no idénticas (según el 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 parece a la de otras proteínas AAA , un "tallo" enrollado que se une al microtúbulo y una cola extendida (o "tallo") que se une a un vecino. microtúbulos 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 AAA ATPasa sufre un cambio conformacional que hace que el tallo de unión de los microtúbulos pivote en relación con la cola de unión de 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 e inactivan de manera coordinada para que los cilios o flagelos puedan moverse hacia adelante y hacia atrás. El radio radial ha sido propuesto como la (o una de las) estructuras que sincronizan este movimiento.
La regulación de la actividad de la dineína axonemal es fundamental para la frecuencia del latido flagelar y la forma de onda de los cilios. Los modos de regulación de la dineína axonemal incluyen fosforilación, redox y 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 tioredoxinas asociadas con los otros brazos de dineína axonemal se oxidan/reducen para regular dónde se une la dineína en el axonema. La centerina y los componentes de los brazos externos de dineína axonemal detectan fluctuaciones en la concentración de calcio. Las fluctuaciones del calcio juegan un papel importante en la alteración de la forma de onda de los cilios y la frecuencia del latido flagelar (King, 2012). [37]
La proteína responsable del movimiento de los cilios y flagelos se descubrió por primera vez y se denominó dineína en 1963 (Karp, 2005). 20 años después, 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 hacia 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 en general una 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 Dlc1 de cadena ligera de dineína también es necesaria para la segregación, específicamente cuando los quiasmas están ausentes.