Sel manusia yang membangun ‘jalan raya molekuler’ ditangkap untuk pertama kalinya

Para peneliti di Pusat Regulasi Genomik (CRG) di Barcelona dan Pusat Penelitian Kanker Nasional Spanyol (CNIO) di Madrid telah menangkap gambar resolusi tinggi pertama di dunia yang menunjukkan momen awal pembentukan mikrotubulus di dalam sel manusia.

Temuannya, diterbitkan di jurnal Sains, meletakkan dasar bagi terobosan potensial dalam pengobatan berbagai jenis penyakit mulai dari kanker hingga gangguan perkembangan saraf.

“Mikrotubulus adalah komponen penting sel, namun semua gambar yang kita lihat di buku teks yang menggambarkan momen pertama penciptaannya adalah model atau kartun berdasarkan struktur ragi. Di sini kami menangkap proses yang terjadi di dalam sel manusia. Sekarang kita tahu apa itu Sepertinya, kita bisa mengeksplorasi bagaimana hal ini diatur. Mengingat peran mendasar mikrotubulus dalam biologi sel, hal ini pada akhirnya dapat mengarah pada pendekatan terapi baru untuk berbagai macam penyakit,” jelas Profesor Thomas Surrey dari ICREA Research, salah satu penulis utama penelitian ini. dan peneliti di Pusat Regulasi Genomik.

‘Jalan raya’ molekuler sel

Sel ibarat kota yang ramai, yang memerlukan infrastruktur canggih agar dapat berfungsi. Salah satu komponen terpenting adalah mikrotubulus, tabung yang terbuat dari protein yang bertindak seperti jembatan atau jalan yang membantu memindahkan benda dan membentuk sel.

Yang penting, mereka sangat penting untuk pembelahan sel, memastikan bahwa dua sel baru dapat dilahirkan dari sel induk. Dalam neuron, mereka sangat penting, membentuk jalan raya untuk transportasi jarak jauh.

Mikrotubulus dibangun oleh kumpulan besar protein yang dikenal sebagai kompleks cincin gamma-tubulin (γ-TuRC). Protein bekerja seperti cetak biru, meletakkan blok bangunan kecil yang disebut tubulin dalam urutan tertentu. Ini adalah proses yang disebut nukleasi mikrotubulus, yang seperti meletakkan batu fondasi sebuah jembatan. Setelah fondasi dipasang, tubulin ditambahkan untuk membuat jembatan sepanjang diperlukan.

Agar sel dapat bekerja dengan benar, mikrotubulus perlu dibuat dari tiga belas baris tubulin yang berbeda. Beberapa tahun yang lalu, para peneliti dibuat bingung saat mengetahui bahwa γ-TuRC manusia mengekspos empat belas baris tubulin. Hal ini membingungkan karena para peneliti mengharapkannya menjadi templat yang sempurna untuk mikrotubulus, namun ternyata tidak demikian. Namun struktur resolusi tinggi hanya digambarkan sebagai γ-TuRC atau mikrotubulus secara terpisah dan tidak pernah digabungkan—sampai sekarang.

“Kami harus menemukan kondisi yang memungkinkan kami memotret lebih dari satu juta mikrotubulus dalam proses nukleasi sebelum mereka tumbuh terlalu panjang dan mengaburkan aksi γ-TuRC. Kami dapat mencapainya dengan menggunakan peralatan molekuler di laboratorium kami dan kemudian membekukannya mikrotubulus berhenti pada tempatnya,” jelas Cláudia Brito, peneliti pascadoktoral di CRG dan salah satu penulis pertama studi ini.

Pencitraan resolusi tinggi

Untuk mengamati γ-TuRC saat sedang aktif membentuk mikrotubulus, para peneliti menyiapkan sampel di CRG di Barcelona dan Electronic Microscopy Center di ALBA (EMCA), di mana sampel tersebut dibekukan dalam lapisan es tipis—mempertahankan bentuk alami mikrotubulus. molekul yang terlibat dan membantu membedakan detail halus struktur pada tingkat mendekati atom.

Sampel beku kemudian dikirim ke Basque Resource for Electron Microscopy (BREM) di Vizcaya, di mana data resolusi tinggi yang dihasilkan kemudian ditransfer untuk dianalisis di CNIO di Madrid.

Marina Serna, Staf Ilmuwan di CNIO dan salah satu penulis pertama studi ini, menggunakan gambar yang diperoleh dengan mikroskop cryo-elektron dan metode pemrosesan gambar kompleks untuk menentukan struktur 3D γ-TuRC sambil membentuk mikrotubulus.

Analisis ini mengungkapkan bahwa ketika γ-TuRC memulai proses nukleasi dan mikrotubulus mulai terbentuk, ia dengan cerdik mengubah bentuknya. Awalnya dalam keadaan terbuka, ia semakin menutup seiring dengan pertumbuhan mikrotubulus. Perubahan ini membuat γ-TuRC menyimpan salah satu dari 14 tubulinnya, yang secara efektif cocok dengan desain mikrotubulus yang hanya membutuhkan 13 baris.

Seluruh proses difasilitasi oleh mekanisme kait yang baru ditemukan, mengungkapkan bahwa mikrotubulus yang sedang tumbuh itulah yang membantu templat menemukan bentuk yang benar.

Oscar Llorca, Direktur program Biologi Struktural di CNIO dan rekan penulis utama makalah ini, menjelaskan, “Kami telah memvisualisasikan proses yang memulai pembentukan mikrotubulus, dan kami melihat bahwa γ-TuRC manusia adalah sebuah cincin terbuka yang menutup secara efektif menjadi templat yang sempurna untuk nukleasi mikrotubulus. Namun kami juga menemukan bahwa cincin ini, agar dapat menutup, memerlukan ‘batu bata pertama’ dari mikrotubulus; ketika hal ini terjadi, wilayah γ-TuRC manusia bertindak sebagai jangkar yang mengikat ‘batu bata pertama’ ini untuk kemudian menutup cincin dan meluncurkan pembentukan mikrotubulus.”

Implikasinya terhadap kesehatan dan penyakit manusia

Akibat paling umum dari kerusakan mikrotubulus adalah kanker, penyakit yang ditandai dengan proliferasi sel yang tidak terkendali. Gangguan perkembangan saraf seperti mikrosefali juga terjadi ketika proses mikrotubulus tidak berjalan dengan baik, serta kondisi lain mulai dari masalah pernapasan hingga penyakit jantung.

Beberapa obat kanker bekerja dengan menargetkan mikrotubulus, mencegahnya terurai atau terbentuk. Namun, hal ini mengganggu mikrotubulus tanpa pandang bulu pada sel kanker dan sel sehat, sehingga menimbulkan efek samping. Tumor juga mengembangkan resistensi terhadap obat ini.

Temuan penelitian ini penting karena memahami mekanisme yang tepat tentang bagaimana mikrotubulus terbentuk dapat mengarah pada pengembangan pengobatan kanker yang lebih tepat sasaran dan efektif, serta terapi baru untuk kondisi yang lebih luas.

“Proses nukleasi menentukan di mana mikrotubulus berada di dalam sel dan berapa banyak yang dimilikinya. Kemungkinan besar perubahan konformasi yang kita amati dikendalikan oleh pengatur yang belum ditemukan di dalam sel. Beberapa kandidat telah diidentifikasi. dijelaskan dalam penelitian lain, namun mekanisme kerjanya masih belum jelas,” kata Dr. Surrey.

“Seiring dengan penelitian lebih lanjut yang memperjelas bagaimana regulator mengikat γ-TuRC dan bagaimana mereka mempengaruhi perubahan konformasi selama nukleasi, hal ini dapat mengubah pemahaman kita tentang cara kerja mikrotubulus, dan pada akhirnya menawarkan situs alternatif yang mungkin ingin ditargetkan untuk mencegah sel kanker melewatinya. siklus sel.”