Das zelluläre Leben hängt von einem Netzwerk hohler Kabel ab, die als Mikrotubuli bezeichnet werden und sich dynamisch verlängern und verkürzen, je nach den Bedürfnissen des Augenblicks. Während der Zellteilung zum Beispiel haken sich diese Kabel an Chromosomen ein und ziehen sich wieder zurück – wodurch Chromosomen zu beiden Enden der Zelle gezogen werden, um sicherzustellen, dass jede Tochterzelle einen gerechten Anteil an genetischer Information erhält. Zusätzlich zur Regulierung der Dynamik von Mikrotubuli reguliert die Zelle auch den genauen Zeitpunkt und Ort der Mikrotubuli-Bildung. Es gibt wenig Raum für Fehler.
Jetzt gibt eine neue Studie Aufschluss darüber, wie die Bildung menschlicher Mikrotubuli die Zellteilung antreibt. Das Papier, veröffentlicht in Zeitschrift für Zellbiologie, beschreibt das Innenleben des γ-Tubulin-Ringkomplexes (γ-TuRC), einer Anordnung von Proteinen, die für die Keimbildung und Stabilisierung von Mikrotubuli verantwortlich sind. Die Ergebnisse klären den Mechanismus des γ-TuRC und können Forscher informieren, die γ-TuRC-Mutationen und damit verbundene Krankheiten untersuchen.
„Wir konnten die Capping-Aktivität des γ-TuRC charakterisieren und seine Rolle bei der Zellteilung untersuchen“, sagt Adi Berman, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor von Tarun Kapoor an der Rockefeller University. „Je mehr wir darüber erfahren, was dieser Komplex tut und wie er es tut, desto mehr Antworten können wir möglicherweise darauf finden, wie das γ-TuRC mit menschlichen Krankheiten zusammenhängt.“
Ein Samen und eine Kappe
Der Lebenszyklus eines Mikrotubulus beginnt typischerweise, wenn Proteindimere, bestehend aus Alpha- und Beta-Tubulin, interagieren, um lange röhrenförmige Polymere zu bilden. Aber dieser Prozess braucht Zeit, die die Zelle nicht immer erübrigen kann. Wenn Zellen in Sekundenschnelle Mikrotubuli aufbauen müssen, verlassen sie sich stattdessen auf einen Mikrotubuli-Nukleationskomplex namens γ-TuRC. In menschlichen Zellen sind γ-TuRCs an Mikrotubuli-Organisationszentren wie Zentrosomen verankert, wo sich Tubulin-Dimere auf dem γ-TuRC anordnen und schnell zu Mikrotubuli polymerisieren können.
Dies ist jedoch nicht die einzige Rolle des γ-TuRC bei der Bildung von Mikrotubuli. Studien haben gezeigt, dass das γ-TuRC auch als Kappe für Mikrotubuli dient, die plötzliche Hinzufügung oder den Verlust von Tubulindimeren verhindert und sicherstellt, dass aktive Mikrotubuli in den richtigen Teilen der Zelle lokalisiert sind.
„Capping ist eine weitere wichtige Funktion des γ-TuRC“, erklärt Berman. „Es stabilisiert die Mikrotubuli, was sie vor Depolymerisation schützt, und ermöglicht es den Mikrotubuli auch, sich an bestimmten Stellen zu verankern, was sicherstellt, dass die Mikrotubuli richtig positioniert sind.“
Kapoor, Berman und Kollegen wollten die Capping-Aktivität des γ-TuRC isoliert untersuchen, also arbeiteten sie mit dem Labor von Brian Chait zusammen, um eine verkrüppelte Form von γ-TuRC herzustellen und zu charakterisieren. Diese Mutante war nicht in der Lage, Mikrotubuli zu nukleieren, aber es blieb noch zu bestimmen, wie diese Mutation die Capping-Aktivität des γ-TuRC beeinflusste.
Eine isolierte Kappe
Um herauszufinden, ob γ-TuRC sein Capping-Potenzial ausschöpfen würde – oder ob seine Keimbildungsfunktion so eng mit seiner Capping-Funktion verbunden war, dass, wenn eines offline ginge, das andere folgen würde – führten sie eine Reihe von Experimenten durch und verwendeten eine Vielzahl von bildgebende Verfahren zur Visualisierung der Interaktion des mutierten γ-TuRC mit Mikrotubuli in vitro und in menschlichen Zellen.
Ihre Ergebnisse legen nahe, dass das mutierte γ-TuRC immer noch Mikrotubuli verschließen kann – was zum ersten Mal zeigt, dass die Rolle des γ-TuRC beim Verschließen von Mikrotubuli unabhängig von seiner Rolle bei der Keimbildung ist. Das Team zeigte auch, dass die Mutante γ-TuRC eine wichtige Rolle bei der Bildung von Mikrotubuli außerhalb des Zentrosoms während der Mitose spielt, was darauf hindeutet, dass die Verkappung selbst zur Bildung von Mikrotubuli beiträgt.
Die Ergebnisse können langfristige Auswirkungen auf Forscher haben, die Entwicklungskrankheiten im Zusammenhang mit γ-Tubulin-Unregelmäßigkeiten wie Mikrozephalie und Krebsarten wie Medulloblastom, Myelom, nicht-kleinzelliges Karzinom, Brustkrebs, Gliome und Glioblastom untersuchen. Die Arbeit kann auch die Lücken für Wissenschaftler füllen, die lange mit einem unvollständigen Verständnis des γ-TuRC gekämpft haben.
Laut Berman gehören die Ergebnisse beispielsweise zu den ersten, die darauf hindeuten, dass die Zelle möglicherweise zwischen zwei Zuständen modulieren kann, indem sie kontextabhängig wählt, ob das γ-TuRC einen Mikrotubulus nukleieren oder verschließen soll.
„Diese Arbeit, die Biochemie, Strukturbiologie und Zellbiologie kombiniert, wirft Licht auf grundlegende Mechanismen“, sagt Kapoor. „Langfristig kann uns dies helfen, die Entstehung von Krankheiten im Zusammenhang mit diesem Komplex besser zu verstehen.“
Mehr Informationen:
Adi Y. Berman et al., Eine von der Nukleotidbindung unabhängige Rolle von γ-Tubulin bei der Verkappung und Zellteilung von Mikrotubuli, Zeitschrift für Zellbiologie (2023). DOI: 10.1083/jcb.202204102