Kinesin

Kinesin und Dynein sind zelluläre Motorproteine. Sie dienen dazu, biologische Nutzlasten wie Proteine, Organellen und Vesikel entlang von Mikrotubuli zu transportieren und die Bewegung von Geißelstrukturen und Zilien anzutreiben (Hirokawa N et al. 2013). Motorproteine sind die molekularen Motoren, die für den Transport von Nutzlasten verantwortlich sind, oft auch als Fracht bezeichnet. Der Transportmechanismus der Motorproteine wird durch die bei Spaltung von Adenosintriphosophat (ATP) nutzbar werdende Energie ermöglicht. Die zyklische Hydrolyse von ATP ermöglicht es dem Motorprotein, sich wiederholt an ein Filament zu binden und wieder zu lösen, wodurch eine schrittweise Bewegung entsteht. Eine bestimmte Untergruppe von Motorproteinen, die so genannten Zytoskelett-Motorproteine, bewegt sich entlang der Filamente des Zytoskeletts. Der Transport von Fracht über Motorproteine des Zytoskeletts wird durch einen mechanochemischen Zyklus erreicht, der sich aus der Bindung an ein Filament des Zytoskeletts, einer Konformationsänderung, der Freigabe des Filaments und der Relaxation der Konformation zusammensetzt. Während die mechanochemischen Schrittzyklen von Kinesin und Dynein in den letzten zehn Jahren einzeln untersucht wurden, sind die Mechanik von Kinesin und Dynein sowie die entsprechenden Messmethoden bisher nicht untersucht. Daher konzentriert sich diese Übersicht auf die Techniken zur Messung der Kraft- und Geschwindigkeitsfähigkeiten der Zytoskelett-Motorproteine Kinesin und Dynein und die sich daraus ergebenden Konsequenzen (Abraham Z et al. 2018).

Die Kinesin-Superfamilie (KIF) setzt sich aus vierzehn großen Familien zusammen (Hirokawa N et al. 2013).  Für die Zuordnung zur Kinesin-Superfamilie, muss ein Motorprotein eine bestimmte Motordomäne aufweisen. Die für KIF-Moleküle spezifische Motordomäne ist eine globuläre Domäne, die eine konsistente ATP- und Mikrotubuli-bindende Sequenz durchläuft, um die Fortbewegung zu ermöglichen, also die Transporteigenschaft, die die KIF-Moleküle zu Motorproteinen macht. Die von Kinesin transportierten Ladungen binden an die Motordomäne. Außerdem enthalten die meisten Kinesin-Familien zwei schwere Ketten, zwei leichte Ketten und eine verlängerte Spule. Da die evolutionären Zusammenhänge der einzelnen KIF-Familien immer besser verstanden werden, wird jetzt eine neue Klassifizierungsnomenklatur verwendet, um die vierzehn großen Familien zu unterscheiden. Diese Nomenklatur lautet einfach Kinesin-1 bis Kinesin-14, und obwohl sie unterschiedliche Strukturen haben können, sind sie durch ihre motorische Domäne vereint.

Der aktive Transport durch Kinesin und Dynein stellt eine schnellere und effizientere Art des intrazellulären Transports dar als die Diffusion. Außerdem können große Nutzlasten nicht einfach durch Diffusion übertragen werden. Daher sind die Motorproteine für ihre Verlagerung unerlässlich. Die Mikrotubuli bieten direkte Wege für die Fortbewegung der Motorproteine. Der Transport kann in zwei Formen erfolgen: anterograder Transport und retrograder Transport. Der anterograde Transport, der auch als „plus-end“ bezeichnet wird, bezieht sich auf den Transport von Gütern aus dem Zentrum der Zelle in die Peripherie.

Der retrograde Transport, der auch als Minus-Transport bezeichnet wird, bezieht sich auf den Transport von Gütern aus der Peripherie in das Zentrum der Zelle (Levy JR et al. 2006). Kinesin-Motorproteine sind von Natur aus auf eine unidirektionale Fortbewegung beschränkt, die entweder anterograden oder retrograden Transport ermöglicht, wobei die meisten Kinesine anterograden Transport durchführen. Die meisten Kinesine sind für den anterograden Transport zuständig, während Dynein eher für den retrograden Transport geeignet ist, obwohl Dynein-Motorproteine auch in zwei Richtungen laufen können.

1. Abraham Z et al. (2018) Kinesin and Dynein Mechanics: Measurement Methods and Research Applications. J Biomech Eng 140:0208051–02080511
2. Alberts B (1970) Molecular Motors, Molecular Biology of the Cell, 4th ed., National Library of Medicine, New York.
3. Gennerich A et al. (2009) Walking the Walk: How Kinesin and Dynein Coordinate Their Steps. Curr Opin Cell Biol 21: 59–67.
4. Goodman BS et al. (2012) Engineered, Harnessed, and Hijacked: Synthetic Uses for Cytoskeletal Systems,” Trends Cell Biol 22: 644–652.
5. Hancock WO et al. (2016) The Kinesin-1 Chemomechanical Cycle: Stepping Toward a Consensus, Biophys J 110: 1216–1225.
6. Hirokawa N et al. (2013) Kinesin Superfamily Proteins, 2nd ed., Wiley, New York.
7. Levy JR et al. (2006) Cytoplasmic Dynein/Dynactin Function and Dysfunction in Motor Neurons. Int J Dev Neurosci 24: 103–111.