Nou descobriment sobre com les cèl·lules construeixen el seu esquelet intern

Dins de cada cèl·lula, una xarxa de petits filaments anomenada "citoesquelet de microtúbuls" contribueix a mantenir la forma de la cèl·lula, fa que es pugui dividir i transporta materials vitals d'una part de la cèl·lula a una altra . Els filaments que formen aquesta xarxa, anomenats "microtúbuls", són uns tubs buits que actuen com si fossin estructures de bastida i vies de transport. 

La comunitat científica ha sentit molt de temps curiositat per saber com les cèl·lules controlen la formació d'aquests microtúbuls, un procés essencial per al funcionament i la divisió cel·lular saludable. Es tracta d'una qüestió important, ja que els microtúbuls també són un objectiu principal utilitzat a la quimioteràpia per destruir les cèl·lules canceroses.

Dos equips de recerca, un de l'IRB Barcelona, ​​liderat per Dr. Jens Lüders, i un altre al Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), liderat per Dr. Óscar Llorca, han aconseguit un avenç important en la comprensió de com les cèl·lules generen els microtúbuls que formen el seu esquelet intern. Les seves troballes, publicades a Cèl·lula del desenvolupament, aporten nous coneixements sobre com una proteïna anomenada CDK5RAP2 activa el complex de l'anell γ-tubulina nucleador de microtúbuls (γTuRC), un component clau d'aquest procés de construcció de l'esquelet, ajudant les cèl·lules a organitzar-ne l'interior i dividir-se adequadament.

"La clau de l'èxit d'aquest projecte va ser que vam poder reconstituir l'activació del nucleador de microtúbuls γTuRC in vitro, proporcionant quantitats suficients de material d'alta qualitat per a l'anàlisi crio-EM", comenta el Dr. Jens Lüders, cap del Laboratori d'Organització de Microtúbuls a la Proliferació i Diferenciació Cel·lular de l'IRB Barcelona.

"Aquest treball és un bell exemple de com la visualització de molècules individuals en alta resolució utilitzant crio-EM i el processament posterior d'aquesta informació utilitzant algoritmes basats en xarxes neuronals pot revelar molècules grans en acció i com funcionen", afirma el Dr. Óscar Llorca, del Grup de Complexos Macromoleculars en la Resposta a Danys al DNA del CNIO.
 

La construcció del marc de la cèl·lula 

Els microtúbuls són com a estructures de bastida i, igual que quan es construeix un edifici, la cèl·lula necessita acoblar-los als llocs correctes, a l'orientació correcta i en el moment correcte. Aquest treball el realitza γTuRC, que actua com a plantilla per acoblar les primeres peces del microtúbul.

Tot i això, en el seu estat fonamental, γTuRC no té la forma perfecta per funcionar com a plantilla, i durant anys els científics han estat desconcertats sobre com γTuRC pot adoptar la forma correcta per iniciar el procés de construcció. Els investigadors ara han demostrat que CDK5RAP2 exerceix un paper central en aquest procés en unir-se a γTuRC i estimular la seva activitat. 

La proteïna s'adhereix a cinc llocs clau al γTuRC, cosa que l'ajuda a adoptar una estructura més simètrica similar als microtúbuls, cosa que permet una nucleació eficient dels microtúbuls. Sense aquesta activació, el γTuRC romandria en la forma asimètrica, que no és adequada per a la formació de microtúbuls.

"CDK5RAP2 és com un director d'obra, que garanteix que l'esquelet de la cèl·lula es construeixi correctament. Aquest procés és fonamental perquè les cèl·lules creixin i es dividisquen", expliquen Marina Serna i Fabián Zimmermann, primers autors de l'estudi i investigadors del CNIO i de l'IRB Barcelona, ​​respectivament.

El poder de les imatges avançades

Per descobrir aquest mecanisme, l'equip va utilitzar microscòpia crioelectrònica (cryo-EM), una tècnica d'avantguarda que permet als científics capturar imatges d'alta resolució de complexos macromoleculars purificats com ara γTuRC. A través de crio-EM, van poder observar com CDK5RAP2 s'uneix a γTuRC, desencadenant canvis estructurals al complex. Aquestes imatges detallades van proporcionar informació sense precedents sobre com el complex adopta una simetria semblant a la dels microtúbuls.

Amb crio-EM, van poder veure com múltiples còpies de CDK5RAP2 s'uneixen al voltant de l'exterior del γTuRC en forma de con, cosa que li permet adoptar una forma que pot iniciar de manera eficient el creixement dels microtúbuls.

L'estudi també va descobrir que durant l'activació, γTuRC allibera sovint una proteïna anomenada actina, que sol ser present dins l'estructura de γTuRC no activada. Aquest alliberament d'actina pot ser important per permetre que el complex adopti la forma més funcional, similar a un microtúbul.

Si bé aquest estudi revela passos crítics en com les cèl·lules construeixen la seva bastida interna, els investigadors ara estan interessats en si els defectes en l'activació de γTuRC poden ser la base de certs trastorns rars del desenvolupament neurològic causats per mutacions al gen CDK5RAP2 i en gens que codifiquen les subunitats de γTuRC. Una altra qüestió important és si hi ha altres mecanismes alternatius d'activació de γTuRC. Aquests coneixements conduiran a una comprensió més profunda de com les cèl·lules ensamblen el citoesquelet de microtúbuls, que és un requisit previ per identificar els mecanismes de la malaltia i, en última instància, les oportunitats d'intervenció terapèutica.

Aquest treball ha estat finançat pel Ministeri espanyol de Ciència i Innovació, amb suport addicional del programa de Recerca i Innovació Horizon 2020 de la Unió Europea. La Fundació "la Caixa" també ha participat a través del seu programa de beques, juntament amb les Accions Marie Skłodowska-Curie de la Unió Europea.

Article relacionat:

CDK5RAP2 activates microtubule nucleator γTuRC by facilitating template formation and actin release.
Marina Serna, Fabian Zimmermann, Chithran Vineethakumari, Nayim Gonzalez-Rodriguez, Óscar Llorca, Jens Lüders.
Developmental Cell (2024). DOI: 10.1016/j.devcel.2024.09.001