I membri della famiglia delle chinesine e la dineina citoplasmatica sono proteine motrici che si muovono lungo i microtubuli nelle cellule per trasportare il loro carico1. La maggior parte delle chinesine si muove verso l'estremità positiva, mentre la dineina si muove verso l'estremità negativa di un microtubulo. Le funzioni e i meccanismi del trasporto di merci nell'assone neuronale sono stati ampiamente studiati. A causa della loro lunghezza, gli assoni richiedono un trasporto stabile a lunga distanza per mantenere la salute dei neuroni. Difetti nel trasporto di mitocondri, autofagosomi e vescicole contenenti precursori della proteina amiloide-β (APP) sono stati riportati come cause di malattie neurodegenerative 2,3. Numerose indagini in vitro hanno rivelato i meccanismi alla base del trasporto coordinato da parte delle proteine motorie, e vari studi che utilizzano proteine motorie purificate e microtubuli hanno scoperto come le molecole motorie si muovono lungo i microtubuli 4,5. In genere, più motori sono coinvolti in un singolo carico6. Tuttavia, ci sono alcuni modelli di come i motori opposti determinano la direzione del trasporto merci. Uno è il "modello di associazione/dissociazione"; In questo, solo i motori unidirezionali sono associati al carico durante il trasporto unidirezionale. Nel secondo, il "modello di coordinamento", entrambi i motori sono collegati allo stesso carico e solo un lato del motore è attivato. Nel terzo "modello del tiro alla fune", l'equilibrio delle forze tra chinesine e dineine determina la direzione di trasporto 7,8,9. Inoltre, diversi studi hanno suggerito che l'equilibrio e il numero di proteine motorie attivate influenzano la velocità di trasporto delle merci in vitro 8,10.
Una domanda senza risposta è come queste attività delle chinesine o delle dineine siano regolate nelle cellule viventi. Precedenti studi hanno mostrato l'acetilazione dei microtubuli negli assoni e fattori neurotrofici migliorano il trasporto assonale11,12. Inoltre, vari tipi di carico e adattatori di carico funzionano come attivatori del motore nei modi corrispondenti 13,14. Molti sono associati alla membrana delle vescicole di trasporto e le loro funzioni sono regolate da segnali come le modifiche post-traduzionali15. Pertanto, l'osservazione della direzione e della velocità di trasporto nelle cellule viventi offre preziose informazioni sulla regolazione molecolare del trasporto di merci in esperimenti in vitro. L'osservazione del trasporto assonale consente di distinguere tra trasporto a base di chinesina e dineina. Poiché gli assoni ospitano microtubuli unidirezionali16, il carico viene trasportato anterogradamente (cioè da soma a terminale di assone) dalle chinesine e retrogradamente (da terminale di assoni a soma) da dineine.
Nel presente studio, viene descritto un metodo per osservare e analizzare il trasporto assonale nei neuroni primari in coltura. Ad esempio, viene descritta la procedura per osservare il trasporto assonale delle vescicole contenenti proteine di membrana (APP), calsyntenin-1/alcadeina α (Alcα) e calsyntenin-3/alcadeina β (Alcβ). È noto che il trasporto anterogrado delle vescicole contenenti APP è considerevolmente più veloce di quello delle vescicole contenenti Alcα, sebbene entrambe siano trasportate dalla chinesina-1 17,18,19. Nei rapporti precedenti, sono stati utilizzati diversi metodi per misurare la velocità. Il passaggio più variabile è la gestione delle pause durante il trasporto. Nelle cellule vive, il trasporto è talvolta ostacolato da ostacoli lungo i microtubuli; Tuttavia, i motori possono bypassare una regione con o senza una pausa20. Il calcolo della velocità su un tempo di osservazione più lungo può essere influenzato dalla pausa, il che può comportare una stima della velocità più lenta. Qui, viene descritto un metodo che utilizza il movimento su un periodo segmentato (200 ms) per escludere l'effetto della pausa fisica dei motori. Infine, viene introdotto un programma software ad accesso aperto (solo Windows) chiamato "KYMOMAKER"21. I chimografi sono ampiamente utilizzati per visualizzare il trasporto vescicolare e sono utili per visualizzare la direzione di trasporto di ogni carico senza richiedere un filmato. Il software genera chimografi da filmati time-lapse applicando un algoritmo Watershed unidimensionale più volte durante la rotazione delle immagini. Ciò consente al chimografo risultante di mostrare strutture fini in modo efficiente e semplice. Inoltre, KYMOMAKER rileva ed evidenzia automaticamente i sentieri in base alla loro direzione e consente la creazione di diagrammi di facile comprensione.