Unutar svake ćelije, mreža sićušnih filamenata, nazvana citoskelet mikrotubula, pomaže u održavanju oblika ćelije, omogućava joj da se deli i prenosi vitalne materijale iz jednog dela ćelije u drugi. Filamenti koji formiraju ovu mrežu, nazvani mikrotubulama, su šuplje cevi koje deluju kao strukture skele i transportne staze.
Naučnici su dugo bili radoznali kako ćelije kontrolišu formiranje ovih mikrotubula, proces koji je neophodan za zdravu ćelijsku funkciju i podelu. Ovo je važno pitanje, pošto su mikrotubule takođe glavna meta koja se koristi za hemoterapiju za ubijanje ćelija raka.
Dva istraživačka tima, jedan na Institutu za istraživanje u biomedicini (IRB Barselona), na čelu sa dr Jensom Ludersom, i jedan u Centro Nacional de Investigaciones Oncologicas (CNIO), koji vodi dr Oscar Llorca, sada su napravili važan napredak u razumevanju kako ćelije stvaraju mikrotubule koje formiraju njihov unutrašnji skelet.
Njihovi nalazi, objavljeni u Developmental Cell, bacaju svetlo na to kako protein nazvan CDK5RAP2 aktivira kompleks γ-tubulinskog prstena nukleatora mikrotubula (γTuRC), ključnu komponentu ovog procesa izgradnje skeleta, pomažući ćelijama da organizuju svoju unutrašnjost i pravilno se podele.
„Ključ uspeha ovog projekta bio je to što smo uspeli da rekonstituišemo aktivaciju nukleatora mikrotubula gTuRC in vitro, obezbeđujući nam dovoljne količine materijala visokog kvaliteta za krio-EM analizu“, komentariše dr Luders, šef odeljenja. Organizacija mikrotubula u laboratoriji za proliferaciju i diferencijaciju ćelija u IRB Barseloni.
„Ovaj rad je prelep primer kako vizuelizacija pojedinačnih molekula u visokoj rezoluciji korišćenjem krio-EM i naknadna obrada ovih informacija korišćenjem algoritama zasnovanih na neuronskim mrežama može otkriti velike molekule u akciji i kako oni rade“, kaže dr Ljorka, iz grupe Makromolekularni kompleksi u DNK Damage Response Group u CNIO.
Mikrotubule su kao skele, i baš kao i kada se gradi zgrada, ćelija treba da ih sastavi na pravim mestima, u pravoj orijentaciji i u pravo vreme. Ovim poslom se bavi γTuRC, koji deluje kao šablon za sklapanje prvih delova mikrotubula.
Međutim, u svom osnovnom stanju, gTuRC nije savršeno oblikovan za funkcionisanje kao šablon, i godinama su naučnici bili zbunjeni oko toga kako γTuRC može poprimiti ispravan oblik da bi započeo proces izgradnje.
Istraživači su sada pokazali da CDK5RAP2 igra centralnu ulogu u ovom procesu tako što se vezuje za γTuRC i stimuliše njegovu aktivnost. Protein se vezuje za pet ključnih mesta na γTuRC, pomažući mu da preuzme simetričniju strukturu nalik mikrotubulama, što omogućava efikasnu nukleaciju mikrotubula. Bez ove aktivacije, γTuRC bi ostao u svom asimetričnom obliku, koji nije dobro prilagođen formiranju šablonskih mikrotubula.
„CDK5RAP2 je poput menadžera izgradnje, osiguravajući da se skelet ćelije pravilno izgradi. Ovaj proces je fundamentalan za ćelije da rastu i dele se“, objašnjavaju Marina Serna i Fabijan Cimerman, prvi autori studije, istraživači CNIO i IRB Barselona.
Da bi otkrio ovaj mehanizam, tim je koristio krio-elektronsku mikroskopiju (crio-EM), najsavremeniju tehniku koja omogućava naučnicima da snime slike visoke rezolucije prečišćenih makromolekularnih kompleksa kao što je gTuRC. Kroz krio-EM, mogli su da posmatraju kako se CDK5RAP2 vezuje za γTuRC, izazivajući strukturne promene u kompleksu. Ove detaljne slike pružile su uvid bez presedana u to kako kompleks usvaja simetriju nalik mikrotubulama.
Sa crio-EM, mogli su da vide kako se više kopija CDK5RAP2 vezuju oko spoljašnjosti γTuRC u obliku konusa, omogućavajući mu da usvoji oblik koji može efikasno da pokrene rast mikrotubula.
Studija je takođe otkrila da tokom aktivacije, γTuRC često oslobađa protein koji se zove aktin, koji je obično prisutan unutar neaktivirane γTuRC strukture. Ovo oslobađanje aktina može biti važno za omogućavanje kompleksu da usvoji svoj funkcionalniji oblik nalik na mikrotubule.
Iako ova studija otkriva kritične korake u tome kako ćelije grade svoje unutrašnje skele, istraživače sada zanima da li defekti u aktivaciji gTuRC mogu biti u osnovi određenih retkih neurorazvojnih poremećaja uzrokovanih mutacijama u genu CDK5RAP2 i u genima koji kodiraju gTuRC podjedinice.
Još jedno važno pitanje je da li postoje drugi, alternativni gTuRC mehanizmi aktivacije. Takvi uvidi će dovesti do dubljeg razumevanja kako ćelije sastavljaju svoj citoskelet mikrotubula, što je preduslov za identifikaciju mehanizama bolesti, i na kraju, mogućnosti za terapijsku intervenciju.
