Cambio di direzione dei treni ciliari e riconoscimento del carico

Uno studio del Pigino Group presso Human Technopole rivela che la conversione dal trasporto intraflagellare anterogrado a quello retrogrado richiede lo smontaggio completo dei treni anterogradi alla punta del ciglio e fornisce i meccanismi per il legame e il trasporto direzionale specifico dei carichi nelle ciglia. I risultati sono pubblicati su Cell.

Le ciglia sono protrusioni cellulari specializzate che regolano la motilità cellulare e la segnalazione. Il compartimento ciliare è delimitato dalla zona di transizione che separa l’ambiente del ciglio dal citoplasma cellulare e agisce come una barriera selettiva che regola la composizione del proteoma ciliare. Le ciglia sono organizzate attorno a uno scheletro di microtubuli che funziona come una piattaforma ferroviaria per consentire il trasporto ordinato bidirezionale dei carichi dentro e fuori dal ciglio. I motori dei microtubuli e i complessi di trasporto intraflagellare (IFT A e IFT B) formano treni IFT che corrono sui microtubuli per trasportare i carichi attraverso il ciglio. Le mutazioni nei componenti dei treni IFT possono portare a una vasta gamma di malattie umane chiamate ciliopatie.

I polimeri IFT A e IFT B si assemblano con i motori Kinesina-2 alla base del ciglio per muovere i carichi verso la punta del ciglio, i cosiddetti treni IFT anterogradi. Una volta che i treni IFT anterogradi raggiungono la punta del ciglio, subiscono un rimodellamento e si associano con i motori Dineina-2 per muovere i carichi dalla punta alla base del ciglio (treni retrogradi).

Come avviene il rimodellamento dei treni IFT alla punta del ciglio? Come fanno i treni anterogradi e retrogradi a legare carichi e proteine motrici distinti? Queste sono domande ancora senza risposta nel campo delle ciglia.

Per affrontare queste domande, Gaia Pigino – Associate Head del Centro di Ricerca di Biologia Strutturale di Human Technopole – e il suo team hanno utilizzato la crio-tomografia elettronica (crio-ET), la spettrometria di massa a legame crociato in situ e AlphaFold per ottenere un modello strutturale dei treni IFT retrogradi nelle ciglia dell’alga verde Chlamydomonas reinhardtii, un semplice organismo modello ampiamente utilizzato per studiare la mobilità delle ciglia negli eucarioti.

I ricercatori hanno scoperto che i treni IFT retrogradi sono polimeri altamente flessibili con complessi IFT A che formano un filo centrale continuo lungo la lunghezza del treno retrogrado. Al contrario, i complessi IFT B si trovano alle interfacce polimeriche. La nuova architettura identificata dei treni IFT retrogradi è drasticamente diversa da quella dei treni anterogradi, recentemente risolta dal Pigino Group utilizzando la crio-ET in situ. Il confronto tra le strutture dei treni IFT anterogradi e retrogradi ha rivelato che l’assemblaggio dei treni IFT retrogradi origina dalla riorganizzazione fondamentale dei treni anterogradi, che include il loro smontaggio completo alla punta e la polimerizzazione de novo da complessi IFT individuali alla punta del ciglio. Il nuovo modello presentato dei treni IFT retrogradi è stato convalidato mediante spettrometria di massa a legame crociato in situ (XL-MS) e un metodo computazionale come la modellazione strutturale integrativa.

Utilizzando carichi noti per i treni IFT anterogradi e retrogradi, i ricercatori hanno scoperto che i cambiamenti conformazionali dei complessi IFT A/B alla punta del ciglio durante il rimodellamento dei treni modificano le superfici disponibili per il legame dei carichi. Questo suggerisce che i siti di legame dei carichi disponibili per il movimento in una direzione sono inaccessibili nell’altra, fornendo così un meccanismo per il trasporto unidirezionale di carichi specifici all’interno del sistema IFT bidirezionale.

In sintesi, il Pigino Group ha fornito la prima struttura crio-ET dei treni IFT retrogradi eucariotici. Questo ha portato a una comprensione molecolare di come i complessi IFT subiscono un ciclo regolato di cambiamenti conformazionali all’interno del ciglio per dirigere il trasporto bidirezionale. Questi risultati rappresentano importanti progressi nella nostra conoscenza del trasporto bidirezionale ciliare che potrebbero aiutare a identificare nuovi trattamenti per le ciliopatie.

1. Lacey, S.E., Foster, H.E., and Pigino, G. (2023). The molecular structure of IFT-A and IFT-B in anterograde intraflagellar transport trains. Nat. Struct. Mol. Biol. 30, 584–593.
2. Jordan, M.A., Diener, D.R., Stepanek, L., and Pigino, G. (2018). The cryo-EM structure of intraflagellar transport trains reveals how dynein is inactivated to ensure unidirectional anterograde movement in cilia. Nat. Cell Biol. 20, 1250.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.06.041