Approfondimento strutturale del complesso di trasporto intraflagellare IFT

Nature Communications volume 14, numero articolo: 1506 (2023) Citare questo articolo

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I treni di trasporto intraflagellare (IFT), i polimeri composti da due complessi multi-subunità, IFT-A e IFT-B, effettuano il trasporto intracellulare bidirezionale nelle ciglia, vitale per la biogenesi e la segnalazione delle ciglia. IFT-A svolge un ruolo cruciale nell'importazione ciliare delle proteine ​​di membrana e nel traffico retrogrado del carico. Tuttavia, l’architettura molecolare dell’IFT-A e il meccanismo di assemblaggio dell’IFT-A nei treni IFT in vivo rimangono sfuggenti. Qui riportiamo le strutture microscopiche crioelettroniche del complesso IFT-A del protozoo Tetrahymena thermophila. Troviamo che i complessi IFT-A presentano due stati distinti, allungati e piegati. Sorprendentemente, il confronto con la struttura della tomografia crioelettronica in situ del treno IFT anterogrado rivela una serie di aggiustamenti dei bracci flessibili in apo IFT-A quando incorporati nel treno anterogrado. I nostri risultati forniscono un modello a risoluzione atomica per il complesso IFT-A e preziose informazioni sul meccanismo di assemblaggio dei treni IFT anterogradi.

Le ciglia sono organelli altamente conservati che sporgono dalla superficie cellulare e svolgono un'ampia varietà di ruoli1. La disfunzione delle ciglia porta a numerose malattie umane chiamate ciliopatie, associate a disturbi della vista, disfunzioni renali e infertilità maschile2. Il meccanismo di trasporto intraflagellare (IFT) è essenziale per l'assemblaggio e il mantenimento del ciglio, nonché per la trasduzione del segnale mediante la consegna di carichi dentro e fuori dalle ciglia3,4.

Ciascun treno IFT è un polimero di due grandi complessi IFT-A e IFT-B con peso molecolare rispettivamente di ~ 0,8 MDa e 1 MDa5. Il complesso IFT-B comprende un sottocomplesso centrale IFT-B1 di 10 subunità e un sottocomplesso periferico IFT-B2 di 6 subunità, che mediano il traffico anterogrado (verso la punta) delle proteine ​​ciliari guidate dal motore dei microtubuli chinesina-26,7, 8. Il complesso IFT-A è composto da sei subunità (IFT144, IFT140, IFT122, IFT121, IFT139 e IFT43), che mediano sia il traffico retrogrado (verso la base) guidato dalla dineina-1b sia l'importazione ciliare di varie proteine ​​di membrana attraverso il porta ciliare9,10,11,12,13,14. Lo studio della tomografia crioelettronica in situ (cryo-ET) del treno anterogrado in Chlamydomonas reinhardtii evidenzia che il treno anterogrado è densamente riempito con IFT-B come spina dorsale situata tra IFT-A e l'assonema, e IFT-A situato direttamente sotto la membrana ciliare15. Dopo aver raggiunto la punta ciliare, i treni anterogradi vengono rimodellati in treni retrogradi a zigzag completamente distinti, coordinando molteplici eventi tra cui l'inattivazione della chinesina-2, l'attivazione della dineina-1b e il rilascio dei carichi15,16,17,18,19,20. Difetti o ridotta concentrazione di IFT-A portano a ciglia corte con diminuzione della velocità di trasporto retrogrado e accumulo di IFT-B sulla punta ciliare21,22,23,24,25. Le mutazioni nei geni IFT-A hanno causato una pletora di ciliopatie tra cui malattie associate allo scheletro, ai reni e agli occhi2,26. La mancanza di strutture IFT-A ad alta risoluzione ostacola notevolmente la nostra comprensione del meccanismo di assemblaggio dell'IFT-A nei treni IFT e delle basi molecolari del traffico ciliare e delle ciliopatie.

Recentemente, diversi studi hanno riportato strutture IFT-A con microscopia crioelettronica ad alta risoluzione (crio-EM) e un modello crio-ET in situ da 20,7 Å del treno IFT anterogrado27,28,29,30. Qui, abbiamo purificato il complesso IFT-A dal protozoo Tetrahymena thermophila e determinato le strutture crio-EM del complesso IFT-A e dei suoi sottoinsiemi con un intervallo di risoluzione compreso tra 3,6 e 8,8 Å. L'analisi di queste strutture rivela che il complesso apo IFT-A è composto da due moduli strutturali rigidi, i moduli di testa e base, e presenta due stati distinti: allungato e piegato in soluzioni, l'ultimo dei quali non è stato identificato nel recente IFT-A studi strutturali27,28,29,30,31. Inoltre, troviamo che l'IFT-A è incorporato nel treno IFT anterogrado attraverso una serie di regolazioni dei bracci flessibili nell'apo IFT-A. Insieme, i nostri risultati ampliano notevolmente la nostra comprensione del meccanismo di assemblaggio dei treni IFT e forniscono approfondimenti strutturali sulla patogenesi delle varianti IFT-A correlate alla malattia nell’uomo.