image: The microtubule nucleator γ-tubulin ring complex (γTuRC)
Credit: IRB Barcelona, CNIO
Barcelona, 15 de octubre 2024 - Dentro de cada célula, una red de diminutos filamentos, el citoesqueleto de microtúbulos, ayuda a mantener la forma de la célula, le permite dividirse y transporta materiales vitales de una parte a otra. Los filamentos que forman esta red, denominados microtúbulos, son tubos huecos que actúan como estructuras de andamio y vías de transporte. Los científicos han estado intrigados durante mucho tiempo acerca de cómo las células controlan la formación de estos microtúbulos, un proceso esencial para el buen funcionamiento y la división celular. Esta es una cuestión importante, ya que los microtúbulos son también un objetivo clave utilizado en la quimioterapia para eliminar células cancerosas.
Dos equipos de investigación, uno en el Instituto de Investigación en Biomedicina (IRB Barcelona), liderado por el Dr. Jens Lüders, y otro en el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), dirigido por el Dr. Óscar Llorca, han logrado un avance importante en la comprensión de cómo las células generan los microtúbulos que forman su esqueleto interno. Sus hallazgos, publicados en Developmental Cell, explican cómo una proteína llamada CDK5RAP2 activa el complejo anular de γ-tubulina (γTuRC), un componente clave en este proceso de construcción del esqueleto, ayudando a las células a organizar su interior y a dividirse correctamente.
“La clave del éxito de este proyecto fue que pudimos reconstituir la activación del nucleador de microtúbulos γTuRC in vitro, lo que nos proporcionó material de alta calidad suficiente para el análisis por criomicroscopía electrónica”, comenta el Dr. Jens Lüders, jefe del laboratorio de Organización de Microtúbulos en la Proliferación y Diferenciación Celular en el IRB Barcelona.
“Este trabajo es un bonito ejemplo de cómo la visualización de moléculas individuales a alta resolución mediante criomicroscopía electrónica y el posterior procesamiento de esta información utilizando algoritmos basados en redes neuronales puede revelar grandes moléculas en acción y cómo funcionan”, afirma el Dr. Óscar Llorca, del Grupo de Complejos Macromoleculares en Respuesta al Daño en el ADN del CNIO.
Construyendo el esqueleto celular
Los microtúbulos son como estructuras de andamio, y al igual que al construir un edificio, la célula necesita ensamblarlos en los lugares correctos, en la orientación correcta y en los momentos adecuados. Esta tarea la realiza el γTuRC, que actúa como una plantilla para ensamblar las primeras piezas del microtúbulo.
Sin embargo, en su estado basal, γTuRC no tiene la forma idónea para funcionar como una plantilla, y durante años los científicos se han preguntado cómo γTuRC adopta la forma correcta para iniciar el proceso de construcción. Los investigadores han demostrado ahora que CDK5RAP2 desempeña un papel central en este proceso al unirse a γTuRC y estimular su actividad. La proteína se une a cinco sitios clave de γTuRC, ayudándole a adoptar una estructura más simétrica, similar a un microtúbulo, lo que permite una nucleación eficiente de microtúbulos. Sin esta activación, el γTuRC permanecería en su forma asimétrica, que no es adecuada para templar la formación de microtúbulos.
“CDK5RAP2 es como un jefe de obra, asegurándose de que el esqueleto de la célula se construya correctamente. Este proceso es fundamental para que las células crezcan y se dividan”, explican Marina Serna y Fabian Zimmermann, primeros autores del estudio, investigadores del CNIO e IRB Barcelona, respectivamente.
El poder de la imagen avanzada
Para descubrir este mecanismo, el equipo utilizó criomicroscopía electrónica (crio-EM), una técnica de vanguardia que permite a los científicos capturar imágenes de alta resolución de complejos macromoleculares purificados, como γTuRC. A través de crio-EM, pudieron observar cómo CDK5RAP2 se une a γTuRC, desencadenando cambios estructurales en el complejo. Estas imágenes detalladas proporcionaron una visión sin precedentes de cómo el complejo adopta una simetría similar a la de un microtúbulo.
Con la crio-EM, pudieron ver cómo múltiples copias de CDK5RAP2 se unen alrededor de γTuRC en forma de cono, permitiéndole adoptar una forma que puede iniciar eficientemente el crecimiento del microtúbulo.
El estudio también descubrió que durante la activación, γTuRC libera con frecuencia una proteína llamada actina, que suele estar presente dentro de la estructura no activada de γTuRC. Esta liberación de actina podría ser importante para que el complejo adopte su forma más funcional, similar a la de un microtúbulo.
Aunque este estudio revela pasos críticos en cómo las células construyen su andamiaje interno, los investigadores están ahora interesados en si los defectos en la activación de γTuRC podrían estar detrás de ciertos trastornos neurodesarrollamentales raros causados por mutaciones en el gen CDK5RAP2 y en genes que codifican subunidades del γTuRC. Otra cuestión importante es si existen otros mecanismos alternativos de activación del γTuRC. Estos conocimientos conducirán a una comprensión más profunda de cómo las células ensamblan su citoesqueleto de microtúbulos, lo cual es un requisito previo para identificar mecanismos de enfermedades y, en última instancia, oportunidades para intervenciones terapéuticas.
Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España, con apoyo del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea. La Fundación "la Caixa" también ha contribuido a través de su programa de becas, junto con las Acciones Marie Skłodowska-Curie de la Unión Europea.
Journal
Developmental Cell