Dissecting dynein motor function using DNA nanotechnology

使用 DNA 纳米技术剖析动力蛋白运动功能

基本信息

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): The long term research goal of this project is to understand how cytoskeletal motors power the transport of diverse macromolecules within eukaryotic cells, enabling them to effectively organize their contents, move, divide, and respond to signals. This proposal focuses on cytoplasmic dynein, the largest, most complex, and least understood of the cytoskeletal motors. The specific objectives are to determine how single dynein dimers move processively, how ensembles of motors efficiently move cargo, and the role of processive movement in cells. A significant obstacle to understanding these important features of motility is a lack of tools to precisely control motor-motor and motor-cargo interactions in vitro. Using DNA nanotechnology, we have developed methods to achieve this. First, we generate stable, functional dynein heterodimers through DNA base pairing. Second, using three-dimensional (3D) DNA nanotechnology, we build synthetic cargo to which DNA-linked dynein or kinesin motors can be attached with defined numbers and spacing. To determine how dynein takes consecutive steps along microtubules, single-molecule techniques, including high-precision, multi-color fluorescence microscopy and single-molecule Forster resonance energy transfer (smFRET), will be applied to track the behavior of individual moving dynein molecules. The results of these experiments will be used to construct a model for how dynein moves processively on microtubules. To determine how coordination among dynein motors or between dynein and kinesin motors affects cargo motility, varying numbers of dynein or dynein mixed with kinesin will be attached to a 3D, synthetic DNA cargo. By analyzing the behavior of both the cargo and individual, cargo-attached motors in single-molecule motility assays, the biophysical properties of multi-motor-based transport will be determined. Long distance transport is thought to require processive motility. However, we recently discovered that dynein is sub-maximally processive. Using in vivo and in vitro approaches, we will test the hypothesis that sub-maximal processivity is especially critical for cytoplasmic dynein. Because cytoplasmic dynein is encoded by only a single gene in all eukaryotes but carries out a wide range of tasks, sub-maximal processivity may allow it to be tuned to perform a variety of cellular functions. This research will provide fundamental, mechanistic insights into how the ubiquitous and essential dynein motor works. In addition, the DNA nanotechnology tools generated here will serve as general engineering principles for studying the oligomerization state of other proteins or for studying arrays of any molecular motor in a more physiologically relevant manner.
描述(由申请人提供):该项目的长期研究目标是了解细胞骨架马达如何为真核细胞内不同大分子的运输提供动力,使它们能够有效地组织其内容物、移动、分裂和响应信号。该提案的重点是细胞质动力蛋白,这是最大、最复杂且了解最少的细胞骨架马达。具体目标是确定单个动力蛋白二聚体如何进行性运动、电机组如何有效地移动货物以及细胞中进行性运动的作用。理解运动的这些重要特征的一个重大障碍是缺乏在体外精确控制运动-运动和运动-货物相互作用的工具。利用 DNA 纳米技术,我们开发了实现这一目标的方法。首先,我们通过 DNA 碱基配对生成稳定的功能性动力蛋白异二聚体。其次,利用三维 (3D) DNA 纳米技术,我们构建了合成货物,DNA 连接的动力蛋白或驱动蛋白马达可以按规定的数量和间距连接到该货物上。为了确定动力蛋白如何沿着微管进行连续的步骤,将应用单分子技术,包括高精度、多色荧光显微镜和单分子福斯特共振能量转移(smFRET)来跟踪单个运动动力蛋白分子的行为。这些实验的结果将用于构建动力蛋白如何在微管上持续移动的模型。为了确定动力蛋白马达之间或动力蛋白和驱动蛋白马达之间的协调如何影响货物运动性,不同数量的动力蛋白或与驱动蛋白混合的动力蛋白将附着到 3D 合成 DNA 货物上。通过分析单分子运动测定中货物和单个货物附着马达的行为,将确定基于多马达的运输的生物物理特性。长途运输被认为需要进行性运动。然而,我们最近发现动力蛋白是次最大持续性的。使用体内和体外方法,我们将测试次最大持续合成能力对于细胞质动力蛋白尤其重要的假设。由于细胞质动力蛋白在所有真核生物中仅由单个基因编码,但执行广泛的任务,次最大持续加工能力可能允许其调整以执行各种细胞功能。这项研究将为普遍存在且重要的动力蛋白马达的工作原理提供基本的、机械的见解。此外,这里生成的 DNA 纳米技术工具将作为一般工程原理,用于研究其他蛋白质的寡聚状态或以更生理相关的方式研究任何分子马达的阵列。

项目成果

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知道了