Investigadors del Centre de Regulació Genòmica (CRG), Centre Nacional d’Investigacions Oncològiques (CNIO) i l’Institut de Biologia Molecular de Barcelona (IBMB-CSIC) publiquen a Science la solució a un problema biològic crucial: com les cèl·lules humanes construeixen els seus microtúbuls. En la divisió cel·lular els microtúbuls funcionen com a llargues sogues de nanòmetres de gruix dins de les cèl·lules, que estiren els cromosomes perquè cada cèl·lula filla es quedi amb una còpia del material genètic. El treball estableix les bases de futurs avenços en el tractament de malalties que van des del càncer als trastorns del neurodesenvolupament.
Al nostre organisme les cèl·lules es divideixen constantment. Amb cada divisió, la informació genètica continguda als cromosomes es duplica, i cada cèl·lula filla rep una còpia completa del material genètic. És un procés sofisticat, un mecanisme de rellotgeria que implica refinats i veloços canvis dins de la cèl·lula. Per fer-los possibles, la cèl·lula compta amb els microtúbuls, estructures diminutes amb forma, efectivament, de tub. Fa temps que es busca entendre com es formen.
Ara, per primera vegada, investigadors del Centre de Regulació Genòmica (CRG), el Centre Nacional d’Investigacions Oncològiques (CNIO) i l’Institut de Biologia Molecular de Barcelona del Consell Superior d’Investigacions Científiques (IBMB-CSIC) han aconseguit l’equivalent a construir una pel·lícula que mostra com les cèl·lules humanes inicien la formació dels seus microtúbuls.
La troballa, publicades avui en línia a la revista Science, resolen un problema plantejat fa anys i senten així les bases de futurs avenços en el tractament de malalties que van des del càncer als trastorns del neurodesenvolupament.
Llargues sogues que ajuden a dividir els cromosomes
Óscar Llorca, director del programa de Biologia Estructural del CNIO i coautor principal del treball, descriu el que passa a la cèl·lula quan comença la divisió cel·lular: “Els cromosomes, una vegada tenen la informació genètica duplicada, es col·loquen al centre de la cèl·lula i aquesta, de manera extraordinària, genera ràpidament des dels seus dos extrems grans tubs que enganxen els cromosomes i tiren de cadascuna de les còpies cap als dos pols de la cèl·lula. Només aleshores és possible encapsular una còpia de tot el nostre material genètic a cada cèl·lula filla”.
Les estructures que es llancen “com a llargues sogues que arriben als cromosomes per dividir-los”, explica Llorca, són els microtúbuls. “Per això diem que els microtúbuls tenen un paper clau a la divisió cel·lular. Necessitem comprendre molt bé els mecanismes que disparen la formació d’aquests microtúbuls, al lloc i al moment adequats”.
També són les ‘autopistes cel·lulars’
Els microtúbuls són tubs de mil·lèsimes de mil·límetre de llarg i nanòmetres [milionèsimes de mil·límetre] de diàmetre. A més de ser claus per a la divisió cel·lular, actuen com a autopistes per transportar components cel·lulars entre zones diferents de la cèl·lula. També són elements estructurals que donen forma a la pròpia cèl·lula, entre altres tasques. Entendre bé la seva formació té implicacions per a múltiples àrees de la biomedicina.
“Els microtúbuls són components crítics de les cèl·lules. Aquí captem com és el seu procés de formació dins de cèl·lules humanes. Donat el paper fonamental dels microtúbuls en la biologia cel·lular, això podria conduir en el futur a nous enfocaments terapèutics per a una àmplia gamma de trastorns”, explica el Professor de Recerca ICREA Thomas Surrey, investigador del CRG i coautor principal de l’article a Science.
Un anell molecular que dispara la formació de microtúbuls
Les imatges en alta resolució ara obtingudes responen una pregunta que porta anys a l’aire: com comença la formació dels microtúbuls a les primeres etapes de la divisió cel·lular.
Ara se sap que tot arrenca quan es tanca, formant un anell, una complexa estructura formada per diverses proteïnes anomenada gTuRC (es pronuncia gammaturc).
La forma de gTuRC, la seva estructura tridimensional, es va descobrir fa pocs anys, i va sorprendre els investigadors. S’esperava que gTuRC fos un anell tancat que actua com a motlle base sobre el qual es construeix el microtúbul; però gTuRC es mostrava com una volandera oberta. Les dimensions i la forma eren incompatibles amb les d’un motlle dels microtúbuls.
El nou treball del CRG i el CNIO desvetlla el mecanisme pel qual gTuRC es tanca en un anell i es converteix efectivament en un motlle perfecte, capaç de llançar la formació dels microtúbuls. El tancament de gTuRC es produeix quan se us enganxa la primera peça molecular d’un microtúbul.
“Aquest és el truc que fa servir la cèl·lula per tancar gTuRC”, explica Llorca. “Quan entra aquest primer maó, una regió de gTuRC és capaç d’enganxar-lo i, a manera d’un llaç, actua com una ferramenta que estira l’anell fins a aconseguir tancar-lo i llençar el procés”.
Visualitzar aquest procés ha requerit purificar gTuRC de cèl·lules humanes i reproduir el procés d’iniciació dels microtúbuls al tub d’assaig. Les mostres s’han observat amb crio-microscopis electrònics i en l’anàlisi de dades s’ha emprat intel·ligència artificial.
Un milió de fotogrames d’una pel·lícula a escala atòmica
Un dels reptes ha estat enfrontar-se a l’alta velocitat del procés de construcció dels microtúbuls. El grup del CRG va aconseguir alentir-lo al laboratori i aturar el creixement dels microtúbuls per poder analitzar les etapes inicials del procés.
“Havíem de trobar condicions que ens permetessin obtenir imatges de més d’un milió de microtúbuls en procés de nucleació abans que creixessin massa, i enfosquessin l’acció de γTuRC. Ho vam aconseguir utilitzant tècniques moleculars del nostre laboratori i congelant després les mostres de microtúbuls”, explica Cláudia Brito, investigadora postdoctoral al CRG i primera autora de l’estudi.
Els microtúbuls en construcció es van observar a la Plataforma de Criomicroscòpia Electrònica de l’IBM-CSIC, situada al Centre Conjunt de Microscòpia Electrònica (JEMCA), dins del Sincrotró ALBA.
“Es van congelar en una capa fina de gel, preservant la forma natural de les molècules implicades”, explica Pablo Guerra, responsable d’aquesta Plataforma. Es van determinar així les millors condicions experimentals per observar microtúbuls en formació. Les millors mostres congelades es van enviar al BREM (Basc Resource for Electron Microscopy) per a la presa d’imatges, i aquestes es van transferir a Marina Serna i Oscar Llorca, al CNIO, per a la seva anàlisi i determinació de les estructures tridimensionals a resolució atòmica.
Intel·ligència artificial per al muntatge
A la pràctica, tenir més d’un milió de microtúbuls en diferents fases de creixement equival a comptar amb molts fotogrames d’una pel·lícula d’alta resolució. ‘Només’ cal ordenar-les de la manera correcta, per veure la pel·lícula en marxa. Aquesta tasca va correspondre a l’equip del CNIO, que va recórrer per completar-la a tècniques d’intel·ligència artificial.
“Determinar l’estructura tridimensional dels microtúbuls en creixement a partir de les imatges del microscopi ha estat extraordinàriament complex. Hem necessitat moltes eines de processament digital d’imatge”, explica Marina Serna, investigadora del CNIO.
Per a Llorca, “el gran repte ha estat analitzar a alta resolució les imatges d’un procés dinàmic, on estàvem observant alhora diverses etapes. Això ha estat possible gràcies a l’ús de xarxes neurals que ens han permès ordenar tota aquesta complexitat”.
El resultat són estructures tridimensionals a resolució atòmica que representen les diferents etapes de com s’inicia la construcció d’un microtúbul, i com l’anell de γ-TuRC es converteix en el motlle que llança la formació dels microtúbuls.
Implicacions per a la salut
Com explica Llorca, “aquesta troballa és rellevant perquè hem abordat un mecanisme molt bàsic de la divisió cel·lular, que no sabíem com passava en els éssers humans”.
És un coneixement bàsic útil per aprendre a corregir els errors en el funcionament dels microtúbuls, que s’associen al càncer, trastorns del desenvolupament neurològic i altres afeccions que van des dels problemes respiratoris a les cardiopaties.
“Alguns dels fàrmacs utilitzats avui per tractar el càncer impedeixen la formació o la dinàmica dels microtúbuls”, diu Llorca. “No obstant això, aquests fàrmacs afecten els microtúbuls indiscriminadament, tant en cèl·lules de càncer com en sanes, donant lloc a efectes secundaris. Conèixer detalladament com es formen els microtúbuls pot contribuir al desenvolupament de tractaments més dirigits que afectin la formació de microtúbuls i permetin avançar en el tractament del càncer i d’altres malalties”.
Següent pas: entendre la regulació
Thomas Surrey, per la seva banda, explica els passos següents en el coneixement dels microtúbuls, que passen per entendre com es regula la formació: “El procés de nucleació decideix on són els microtúbuls en una cèl·lula i quants en té. És probable que els canvis conformacionals que observem estiguin controlats per reguladors encara per descobrir a les cèl·lules. En altres estudis s’han descrit diversos candidats, però el mecanisme d’acció no és clar”.
Els propers treballs, “que aclareixin com s’uneixen els reguladors a γ-TuRC i com afecten els canvis conformacionals durant la nucleació, podrien transformar la nostra comprensió del funcionament dels microtúbuls i, amb el temps, oferir llocs alternatius als quals un podria voler dirigir-se per impedir que les cèl·lules canceroses segueixin el cicle cel·lular”, conclou Surrey.
Finançament
El treball realitzat al laboratori de Surrey ha comptat amb el suport del Ministeri de Ciència i Innovació espanyol a l’associació EMBL, el Centre d’Excel·lència Severo Ochoa i el Programa PROP de la Generalitat de Catalunya, així com de l’Institut Francis Crick, que rep el seu finançament bàsic de Cancer Research UK, el Consell de Recerca Mèdica del Regne Unit i el Wellcome Trust. T.S. agraeix també el suport del Consell Europeu de Recerca i del Ministeri de Ciència i Innovació espanyol. C.B. va rebre el suport d’EMBO i una beca Marie Curie.
El treball al laboratori de Llorca va ser finançat per l’Agència Estatal d’Investigació, el Ministeri de Ciència i Innovació; el laboratori d’O.L. també va comptar amb el suport de l’Institut Nacional de Salut Carles III al CNIO. La Plataforma CryoEM IBMB-CSIC està recolzada pel projecte (IU16-014045 (CRYO-TEM) de la Generalitat de Catalunya i per “ERDF A way of making Europe”, de la Unió Europea.
Article de referència:
Transition of human γ-tubulin ring complex into a closed conformation during microtubule nucleation. Science. DOI: dx.doi.org/10.1126/science.adk6160
Microtúbuls en construcció sobre l’anell γTuRC, visualitzats mitjançant criomicroscòpia electrònica (crio-EM). Vistes lateral i des de dalt (a baix esquerra). Crèdit: Marina Serna/CNIO.
Al mig, una imatge dels microtúbuls obtinguda a la Plataforma de Criomicroscòpia Electrònica de l’Institut de Biologia Molecular de Barcelona (IBMB-CSIC), ubicada a l’ALBA / Crèdit: Pablo Guerra (IBMB-CSIC).
A sota, Plataforma de Criomicroscòpia Electrònica de l’Institut de Biologia Molecular de Barcelona (IBMB-CSIC), a l’ALBA, amb Pablo Guerra introduint la mostra. / Crèdit: Sergio Ruiz.