Abstract:

Versione in italiano:

Il motore molecolare kinesina-1 è un regolatore centrale dell’organizzazione subcellulare. Grazie alla sua capacità di traslocare verso l’estremità (+) dei microtubuli (MTs), esso orchestra l’organizzazione spaziale e, di conseguenza, la funzione di numerosi organelli di trasporto e complessi macromolecolari in quasi tutti i tipi cellulari. Le mutazioni nella kinesina-1 possono portare a malattie neurologiche come la paraplegia spastica ereditaria, e l’interruzione dell’attività della kinesina-1 è considerata una conseguenza importante di altre condizioni come il morbo di Alzheimer. Inoltre, la kinesina-1 viene anche sfruttata da molti patogeni batterici e virali durante i loro cicli replicativi. Pertanto, una 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) che portano i motori dipendenti dall’ATP e da due catene leggere (KLC), che, quando non sono impegnate nel trasporto attivo, sono mantenute in uno stato autoinibito grazie al contributo di entrambe le catene pesanti e leggere. L’ancoraggio di numerosi carichi cellulari al complesso motorio richiede le KLC regolatorie, che possono riconoscere varie proteine adattatrici, portando infine al sollievo dell’autoinibizione e al movimento anterogrado lungo i MTs. Un meccanismo comune di reclutamento del carico si basa sul riconoscimento di brevi regioni non strutturate presenti sulle proteine adattatrici da parte del dominio a ripetizioni tetratricopeptidiche (TPR) delle KLC. Importanti esempi di questi ""motivi di riconoscimento"" sono i motivi interni ""W-acidico"" e i motivi C-terminali ""Y-acidico"" (rispettivamente Trp o Tyr affiancati da residui Asp/Glu).

Mentre gli amminoacidi W/Y all’interno dei rispettivi motivi giocano un ruolo chiave nel processo di riconoscimento, i residui immediatamente periferici al nucleo W/Y-acidico sono tuttavia importanti per modulare l’affinità e possono sia potenziare che abolire il legame. Inoltre, poiché i residui W e Y non occupano la stessa posizione sul recettore KLC_TPR, la possibilità di combinare elementi di questi tag di riconoscimento può portare alla scoperta di nuovi adattatori di carico, come dimostrato da recenti KinTag artificiali ad alta affinità sviluppati.

In questo progetto, le unità del CNR e dell’UniPD sfrutteranno le loro competenze complementari in un approccio integrato computazionale e sperimentale basato su machine learning (ML), finalizzato a:
i) razionalizzare i determinanti della variabilità di sequenza per i motivi ""W-acidico"" e ""Y-acidico"", e
ii) sviluppare nuovi agenti a piccola molecola in grado di modulare l’interazione dei tag di riconoscimento con i loro recettori del complesso motorio KLC_TPR.

Nel complesso, questo ci consentirà di sviluppare una comprensione completa del processo generale di riconoscimento del carico dipendente da KLC_TPR e di ampliare l’elenco dei potenziali adattatori di carico, analizzando, ad esempio, i genomi batterici e virali utilizzando un set più sofisticato di determinanti di sequenza. Altrettanto importante, svilupperemo strumenti molecolari in grado di analizzare selettivamente gli effetti delle perturbazioni nel trasporto dei carichi.

English version:

The kinesin-1 molecular motor is a central regulator of subcellular organisation. Thanks to its capacity to translocate toward the (+)-end of microtubules (MTs), it orchestrates the spatial organisation and, consequently, the function of many cargo organelles and macromolecular complexes in almost all cell types. Mutations in kinesin-1 can 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) that when not engaged in active transport is kept in an autoinhibited state contributed by both heavy and light chains. Anchoring of many cellular cargoes to the motor complex requires the regulatory KLCs that can recognise various adaptor proteins ultimately resulting in relief of autoinhibition and anterograde movement along MTs. A common mechanism of cargo recruitment relies on the recognition of short unstructured regions on cargo adaptor proteins by the tetratricopeptide repeat (TPR) domain of KLCs. Important examples of such ‘recognition tags’ are the internal 'W-acidic' and the C-terminal ‘Y-acidic’ (Trp or Tyr flanked by Asp/Glu residues, respectively) motifs. Whilst W/Y amino acids within their respective motifs play a key role in the recognition process, residues immediately peripheral to the W/Y-acidic core are however also important for affinity modulation and can either potentiate or abolish binding.
Furthermore, as W and Y residues do not occupy the same position on the KLC_TPR receptor, the possibility of merging elements of these recognition tags can uncover novel cargo adaptors, as shown by recently developed artificial high-affinity KinTag. In this project the CNR and UniPD units will deploy their complementary expertise in an integrated ML-driven computational and experimental approach aimed at i) rationalizing determinants of sequence variability for ‘W-acidic’ and ‘Y-acidic’ motifs and ii) developing novel small molecule agents that can modulate the interaction of recognition tags with their motor complex KLC_TPR receptors. Overall, this will allow us to develop a complete understanding of the general KLC_TPR-dependent cargo recognition process and to expand the array of putative cargo adaptors by mining, for example, bacterial and viral genomes utilizing a more sophisticated set of sequence determinants. Equally important, we will develop molecular tools that can selectively probe the effects of perturbations in cargo transport.

Contatti: roberto.steiner@unipd.it