Abstract:

Versione in italiano:

In virtù della sua capacità di traslocarsi lungo la rete dei microtubuli (MT) e trasportare una varietà di carichi, il motore molecolare kinesina-1 è un regolatore centrale dell’organizzazione subcellulare. I ruoli critici di questa enzima ubiquitario si estendono a quasi tutti i tipi di cellule, dove orchestra l’organizzazione spaziale e, di conseguenza, la funzione di molti organelli come i lisosomi e i mitocondri. Le mutazioni nella kinesina-1 possono anche risultare in malattie neurologiche come la paraplegia spastica ereditaria, e si ritiene che la disruzione dell’attività della kinesina-1 sia una conseguenza importante di altre condizioni come la malattia di Alzheimer. Inoltre, la kinesina-1 viene anche sfruttata da molti patogeni batterici e virali durante i loro cicli replicativi. Pertanto, la comprensione completa dei meccanismi di regolazione della kinesina-1 è di fondamentale importanza sia nello stato di salute che in quello di malattia. La kinesina-1 è un tetramero composto da due catene pesanti (Kif5) dipendenti dall’ATP che portano il motore e due catene leggere (KLC). Quando non è coinvolta nel trasporto, è mantenuta in uno stato di auto-inibizione. Sebbene il trasporto di molti carichi cellulari richieda le regolatorie KLCs che possono riconoscere varie proteine adattatrici, determinando infine il sollievo dall’auto-inibizione e il movimento anterogrado lungo i microtubuli, non tutti i carichi sono trasportati in modo dipendente dalle KLC. I mitocondri, ad esempio, la cui distribuzione all’interno delle cellule è necessaria per soddisfare le richieste energetiche locali, sono trasportati dalla kinesina-1 indipendentemente dalle KLC. Queste ultime infatti influenzano negativamente l’associazione tra le Kif5 e il complesso Milton-Miro necessario per l’ancoraggio mitocondriale. Queste osservazioni sollevano interrogativi su possibili meccanismi di sequestrazione delle KLC che permettano il trasporto indipendente dalle KLC lungo i microtubuli. In questo progetto, indagheremo questi meccanismi sfruttando l’esperienza e gli strumenti senza pari disponibili presso le unità partner. Negli anni il gruppo di Steiner (recentemente trasferito dal King’s College di Londra all’UniPD) ha contribuito a scoperte strutturali importanti che hanno definito i meccanismi generali e specifici per isoforma del riconoscimento del carico da parte delle KLC. Utilizzando lavori cellulari e in vivo, l’unità UniMI ha recentemente dimostrato che la proteina dinamina-relata 1 (Drp1), un attore chiave nel processo di divisione mitocondriale e perossisomale, sfrutta le KLC promuovendo il trasporto mitocondriale lungo i microtubuli nel muscolo scheletrico di topi sovraespressori di Drp1. L’unità UniBA fornisce competenze nel docking molecolare, nella dinamica e nello screening virtuale per indagare modulatori a piccole molecole esistenti e nuovi delle KLC. Complessivamente, questo progetto adotterà un approccio integrato e completo che va dalla biofisica a un modello murino per disegnare i meccanismi molecolari con cui Drp1 sfrutta le KLC influenzando infine la motilità mitocondriale. Questo progetto avanzato contribuirà significativamente alla comprensione fondamentale della regolazione della kinesina-1 e alla sua modulazione funzionale, con rilevanza per gli stati di salute e malattia.

English version:

By virtue of its capacity to translocate upon the microtubule (MT) network and transport a variety of cargoes, the kinesin-1 molecular motor is a central regulator of subcellular organisation. Critical roles for this ubiquitous enzyme extend to almost all cell types, where it orchestrates the spatial organisation and, consequently, the function of many organelles such as lysosomes and mitochondria. Mutations in kinesin-1 can also result in neurological diseases such as hereditary spastic paraplegia, and disruption of kinesin-1 activity is thought to be an important consequence of other conditions such as Alzheimer’s disease. Furthermore, kinesin-1 is also hijacked by many bacterial and viral pathogens during their replicative cycles. Therefore, the complete understanding of the mechanisms of kinesin-1 regulation is of fundamental importance in both the healthy and disease states. Kinesin-1 is a tetramer composed of two ATP-dependent motor-bearing heavy chains (Kif5) and two light chains (KLC). When not engaged in transport, it is kept in an autoinhibited state. While transport of many cellular cargoes requires the regulatory KLCs that can recognise various adaptor proteins ultimately resulting in relief of autoinhibition and anterograde movement along MTs, not all cargoes are transported in a KLC-dependent manner. Mitochondria, for example, whose distribution within cells is necessary to match local energy demands, are transported by kinesin-1 independently of KLCs. The latter in fact negatively impact the association between Kif5s and the Milton-Miro complex required for mitochondrial anchoring. These observations raise questions about possible mechanisms of KLC sequestration that enable KLC-independent transport along MTs. In this project, we will investigate these taking advantage of the unparalleled expertise and tools available to the partner units. Over the years the Steiner group (recently relocated from King’s College London to UniPD) has contributed important structural discoveries that defined general and isoform-specific mechanisms of cargo recognition by KLCs. Using cellular and in vivo work, the UniMI unit has recently shown that dynamin-related protein 1 (Drp1), a key player in the process of mitochondrial and peroxisomal division, hijacks KLCs promoting mitochondrial transport along MTs in skeletal muscle of Drp1-overexpressing mice. The UniBA unit provides expertise in molecular docking, dynamics, and virtual screening to investigate existing and novel KLC small-molecule modulators. Overall, this project will employ an integrated and comprehensive approach ranging from biophysics to a mouse model to dissect the molecular mechanisms by which Drp1 hijacks KLCs ultimately affecting mitochondrial motility. This project will significantly advance the fundamental understanding of kinesin-1 regulation and its functional modulation with relevance to the healthy and disease states.

Contatti: roberto.steiner@unipd.it