Wie Stangen ein Zelt stützen, so stützen Mikrotubuli – hohle zylindrische Strukturen aus Tubulinprotein – eukaryotische Zellen. Aber Mikrotubuli bieten mehr als nur mechanische Festigkeit; Sie helfen dabei, die Zelle auf Zellteilung und Migration vorzubereiten, und fungieren als Gleise, auf denen Motorproteine Materialien innerhalb der Zelle transportieren.
Die Bildung von Mikrotubuli in Zellen ähnelt dem Bau eines Lego-Zuggleises durch ein Kind. Die Tubuline – Legosteine – bauen sich ständig zusammen und wieder auseinander, um die Mikrotubuli – Zuggleise – in Prozessen, die als Polymerisation und Depolymerisation bezeichnet werden, länger und kürzer zu machen.
Die Prozesse werden durch Mikrotubuli-assoziierte Proteine wie CAMSAP3 reguliert, die die Mikrotubuli stabilisieren können. Eine neue Studie von Hanjin Liu und Tomohiro Shima von der Universität Tokio verdeutlicht, wie CAMSAP3 Mikrotubuli stabilisiert. Die Ergebnisse erweitern unser Verständnis verschiedener zellulärer Prozesse, an denen Mikrotubuli beteiligt sind.
„Die Aufrechterhaltung der richtigen Länge und Verteilung der Mikrotubuli in der Zelle ist überlebenswichtig. Mikrotubuli-bindende Proteine steuern also die Mikrotubuli-Dynamik“, sagt Shima. „CAMSAP3 ist ein kürzlich entdecktes Mikrotubuli-bindendes Protein. Es bindet spezifisch an eine der beiden Spitzen jedes Mikrotubulus und stabilisiert die Spitze, um zu verhindern, dass sie depolymerisiert.“
Wie genau stabilisiert es die Spitzen der Mikrotubuli? Um dies zu beantworten, betrachteten die Forscher die Strukturen von CAMSAPs und den Mikrotubuli. Im Gegensatz zu starren Legosteinen zeigen die Tubuline in einem Mikrotubulus Flexibilität in ihrer Ausrichtung. Von einigen stabilisierten Mikrotubuli ist bekannt, dass sie eine expandierte Struktur aufweisen, bei der der Abstand zwischen den Tubulinen größer ist als der von normalen Mikrotubuli.
Hanjin Liu, der Erstautor des Papiers, fasst ihre Ergebnisse zusammen. Bildnachweis: Liu und Shima et al. 2023
Und innerhalb von CAMSAP3 trägt eine Region namens D2 zur Stabilisierung der Mikrotubuli bei. Die Forscher führten eine Reihe von Experimenten durch, um zu zeigen, dass sich die D2-Region bevorzugt an expandierte Mikrotubuli anheftet. Die Zugabe einer übermäßigen Menge an D2 erweiterte die Mikrotubuli-Struktur und verlangsamte die Mikrotubuli-Depolymerisation um das 18-fache. Voila! Ein möglicher Mechanismus, wie das CAMSAP3-Protein Mikrotubuli stabilisiert: Die D2-induzierte Expansion der Mikrotubuli-Struktur hemmt die Depolymerisation.
„CAMSAP3 spielt durch seine Mikrotubuli-stabilisierende Fähigkeit eine Rolle bei verschiedenen zellulären Phänomenen wie der Zell-Zell-Bindung und der Entwicklung von Neuronen und Krebszellen“, sagt Shima. „Angesichts der Multifunktionalität von Mikrotubuli liefern unsere Ergebnisse ein Schlüsselkonzept zum Verständnis, wie verschiedene zelluläre Phänomene durch die Abstimmung der Mikrotubuli-Dynamik kontrolliert werden.“
„Außerdem kann ein abnormales CAMSAP3 Krankheiten wie Nierenerkrankungen und bösartigen Krebs verursachen“, erklärt Shima. „Obwohl diese Studie die Aktivität des Proteins nur auf molekularer Ebene untersucht hat, könnte sie dazu beitragen, die Krankheiten und ihre Behandlungsmethoden in Zukunft besser zu verstehen.“
Die Forscher hoffen auch zu enthüllen, wie D2 auf atomarer Ebene zwischen expandierten und kompakten Mikrotubuli unterscheidet, was es ihnen ermöglichen könnte, ein Protein mit einer noch größeren Fähigkeit zu entwickeln, zwischen ihnen zu unterscheiden. Ein solches gentechnisch verändertes Protein kann als Anti-Krebs-Medikament verwendet werden, um Mikrotubuli zu stabilisieren und die Zellteilung zu stoppen.
Die Forschung ist veröffentlicht in Life-Science-Allianz.
Mehr Informationen:
Hanjin Liu et al, Die Präferenz von CAMSAP3 für ein expandiertes Mikrotubuli-Gitter trägt zur Stabilisierung des Minus-Endes bei, Life-Science-Allianz (2023). DOI: 10.26508/lsa.202201714