_ Prima scară atomică „film” al microtubulilor în construcție, un proces cheie pentru diviziunea celulară

Celulele din corpul uman se divid în mod constant. Cu fiecare diviziune, informațiile genetice conținute în cromozomi sunt duplicate, iar fiecare celulă fiică primește o copie completă a materialului genetic. Este un proces sofisticat, un mecanism de ceas care implică schimbări rafinate și rapide în interiorul celulei. Pentru a face acest lucru posibil, celula se bazează pe microtubuli, structuri minuscule care sunt într-adevăr în formă de tub. Înțelegerea modului în care încep să se formeze este o întrebare de lungă durată.

Acum, pentru prima dată, cercetătorii de la Centrul pentru Reglementare Genomică (CRG), Centrul Național de Cercetare a Cancerului din Spania (CNIO) și Naționalul Spaniol. Consiliul de Cercetare (IBMB-CSIC) a reușit să realizeze echivalentul unui film care arată modul în care celulele umane inițiază construcția microtubulilor lor.

Descoperirile, publicate în revista Science, rezolvă o problemă adusă cu ani în urmă. și astfel să pună bazele descoperirilor viitoare în tratamentul bolilor, de la cancer la tulburări de neurodezvoltare.

Óscar Llorca, director al Programului de biologie structurală la CNIO și coautor principal al studiului, descrie ce se întâmplă în interiorul celulei când începe diviziunea celulară: „Cromozomii, odată ce au duplicat informația genetică, se deplasează în centrul celulei și celula, într-un mod foarte remarcabil, încolțează rapid din cele două capete tuburi mari care prind cromozomii și trageți fiecare dintre copii spre cei doi poli ai celulei. Numai atunci este posibil să încapsulăm o copie a întregului material nostru genetic în fiecare celulă fiică.”

Structurile care sunt lansate „ca niște frânghii lungi care ajung la cromozomi pentru a-i împărți”, explică Llorca, sunt microtubuli. „De aceea spunem că microtubulii joacă un rol cheie în diviziunea celulară. Trebuie să înțelegem foarte bine mecanismele care declanșează formarea acestor microtubuli, la locul potrivit și la momentul potrivit.”

Microtubulii sunt tuburi cu o lungime de miimi de milimetru și un diametru de nanometri. [milionimi de milimetru]. Pe lângă faptul că sunt cheia diviziunii celulare, ele acționează ca „autostrăzi” pentru deplasarea componentelor celulare între diferite zone ale celulei. Sunt, de asemenea, elemente structurale care modelează celula însăși, printre alte sarcini. Un bun înțelegerea formării lor are implicații pentru multiple domenii ale biomedicinei.

„Microtubulii sunt componente critice ale celulelor. Aici surprindem procesul în acțiune în interiorul celulelor umane. Având în vedere rolul fundamental al microtubulilor în biologia celulară, acest lucru ar putea duce în cele din urmă la noi abordări terapeutice pentru o gamă largă de tulburări”, explică profesorul de cercetare ICREA Thomas Surrey, cercetător CRG și co-autor principal al lucrării.

Imaginile de înaltă rezoluție obținute acum răspund la o întrebare care stă în aer de ani de zile: cum începe formarea microtubulilor în stadiile incipiente ale diviziunii celulare.

Acum știm că totul începe atunci când un complex structura formată din mai multe proteine ​​și numită „g TuRC” (pronunțat „gammaturc”) se închide, formând un inel.

Forma g TuRC, structura sa tridimensională, a fost descoperită la câțiva ani. în urmă, și a surprins cercetătorii. Era de așteptat ca g TuRC să fie un inel închis care acționează ca o matriță de bază pe deasupra căruia este construit microtubul, dar g TuRC a apărut ca un inel deschis. Dimensiunile și forma lui erau incompatibile cu cele ale o matriță cu microtubuli.

Noua lucrare CRG și CNIO dezvăluie mecanismul prin care g TuRC se închide într-un inel și devine efectiv o matriță perfectă, capabilă să lanseze formarea de microtubuli. Închiderea g TuRC are loc atunci când prima bucată moleculară a unui microtubul este atașată de acesta.

„Acesta este trucul pe care celula îl folosește pentru a închide g TuRC”, explică Llorca. „De îndată ce această primă cărămidă intră, o regiune de g TuRC este capabilă să o prindă și, ca o buclă, acționează ca un zăvor care trage inelul închis și lansează procesul.”

Vizualizarea acestui proces. a necesitat purificarea g TuRC din celulele umane și reproducerea procesului de inițiere a microtubulilor în eprubetă. Probele au fost observate cu microscoape crio-electron și inteligența artificială a fost folosită pentru analiza datelor.

Una dintre provocări a fost să se ocupe de viteza mare a procesului de construcție a microtubulilor. Grupul CRG a reușit să o încetinească în laborator și, de asemenea, să oprească creșterea microtubulilor pentru a analiza mai bine etapele inițiale ale procesului.

„Trebuia să găsim condiții care să ne permită să imaginăm peste. un milion de microtubuli în procesul de nucleare înainte ca acestea să crească prea mult timp și să ascundă acțiunea γ-TuRC. Am reușit să realizăm acest lucru folosind setul de instrumente moleculare din laboratorul nostru și apoi să înghețăm cioturile de microtubuli la locul lor", explică Cláudia Brito, un cercetător postdoctoral la CRG și primul autor al studiului.

Microtubulii aflati în construcție au fost observați la Platforma de criomicroscopie electronică a IBMB-CSIC, situată la Joint Electron Microscopy Center (JEMCA), în interiorul Sincrotronului ALBA.

„Au fost înghețate într-un strat subțire de gheață, păstrând forma naturală a moleculelor implicate”, explică Pablo Guerra, șeful acestei Platforme.

Așa sunt cele mai bune condiții experimentale. pentru observarea microtubulilor în formare s-au determinat. Cele mai bune probe congelate au fost apoi trimise la BREM (Basque Resource for Electron Microscopy) pentru imagistica, iar imaginile rezultate au fost transferate la Marina Serna și Oscar Llorca la CNIO pentru analiza și determinarea structurilor tridimensionale la rezoluție atomică.

Inteligenta artificiala pentru asamblare

În practică, a avea mai mult de un milion de microtubuli în diferite stadii de creștere echivalează cu a avea multe cadre dintr-un film la rezoluție înaltă. „Doar” trebuie să le aranjați în ordinea corectă pentru a vedea filmul în desfășurare. Această sarcină a revenit echipei CNIO, care a folosit tehnici de inteligență artificială pentru a o finaliza

„Determinarea structurii tridimensionale a microtubulilor în creștere din imaginile microscopului a fost extrem de complexă. Aveam nevoie de mai multe instrumente digitale de procesare a imaginilor, ", explică Marina Serna, cercetător CNIO.

Pentru Llorca, "marea provocare a fost să analizăm la rezoluție înaltă imaginile unui proces dinamic, în care observam mai multe etape în același timp. Aceasta a fost posibil datorită utilizării rețelelor neuronale, care ne-au permis să organizăm toată această complexitate.”

Rezultatul sunt structuri tridimensionale la rezoluție atomică care reprezintă diferitele etape ale modului în care începe construcția unui microtubul. , și modul în care inelul γ-TuRC devine mucegaiul care lansează formarea microtubulilor.

Llorca explică: „Această descoperire este relevantă deoarece am abordat un mecanism foarte de bază al diviziunii celulare, al cărui proces la oameni îl avem nu știam.”

Aceste cunoștințe de bază sunt utile pentru a învăța cum să corectăm erorile în funcționarea microtubulilor, care sunt asociate cu cancerul, tulburările de neurodezvoltare și alte afecțiuni, de la probleme respiratorii la boli de inimă.

„Unele dintre medicamentele folosite astăzi pentru tratarea cancerului previn formarea sau dinamica microtubulilor”, spune Llorca. „Cu toate acestea, aceste medicamente afectează microtubulii fără discernământ, atât în ​​celulele canceroase, cât și în celulele sănătoase, ducând la efecte secundare. Cunoașterea în detaliu a modului în care se formează microtubulii poate contribui la dezvoltarea unor tratamente mai direcționate care afectează formarea microtubulilor și permit progresul în tratamentul cancer și alte boli.”

Următorul pas: înțelegerea reglementării

Thomas Surrey explică următorii pași în înțelegerea microtubulilor, care implică descifrarea modului în care este reglată formarea microtubulilor: „Procesul de nucleare decide unde sunt microtubulii într-o celulă și câți aveți în primul rând. este probabil ca modificările conformaționale pe care le observăm să fie controlate de regulatori care nu au fost încă găsiți în celule. Mai mulți candidați au fost descriși în alte studii, dar mecanismul lor de acțiune este neclar."

Lucrări ulterioare " Clarificarea modului în care regulatorii se leagă de γ-TuRC și modul în care acestea afectează modificările conformaționale în timpul nucleării, ne poate transforma înțelegerea modului în care funcționează microtubulii și, în cele din urmă, poate oferi locuri alternative pe care s-ar putea dori să le țintească pentru a preveni celulele canceroase să treacă prin ciclul celular. concluzionează Surrey.

(Fluierul)