在每個(gè)細胞內部，存在一張細小絲狀物組成的網(wǎng)絡(luò )，稱(chēng)為微管細胞骨架，它有助于維持細胞的形狀，促進(jìn)其分裂，并將重要物質(zhì)從細胞的一部分傳送到另一部分。這些形成網(wǎng)絡(luò )的絲狀結構稱(chēng)為微管，是一種中空管道，起著(zhù)支架和傳輸軌道的作用。長(cháng)期以來(lái)，科學(xué)家們始終關(guān)注細胞如何控制這些微管的形成，這是保持細胞健康運作和分裂的關(guān)鍵。

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圖片信息：微管成核劑 γ-微管蛋白環(huán)復合物 （γTuRC）

近期，由巴塞羅那生物醫學(xué)研究所的Jens Lüders 博士領(lǐng)導的團隊與西班牙CNIO研究中心的Oscar Llorca博士領(lǐng)導的團隊一起，在探索細胞如何生成其內部支架的微管方面取得了重要進(jìn)展。他們的研究成果發(fā)表在《Developmental Cell》期刊上，揭示了蛋白質(zhì)CDK5RAP2如何激活微管成核因子γ-微管蛋白環(huán)復合體（γTuRC），這一過(guò)程對于細胞內部結構的組織和正常分裂至關(guān)重要。

“我們能夠在體外重建微管成核因子γTuRC的激活過(guò)程，這是該項目成功的關(guān)鍵，為我們的冷凍電鏡分析提供了充足的優(yōu)質(zhì)材料。”巴塞羅那生物醫學(xué)研究所微管組織與細胞增殖與分化實(shí)驗室負責人Jens Lüders 博士表示。

“通過(guò)冷凍電鏡觀(guān)察單個(gè)分子的高分辨率圖像并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法處理這些信息，能夠揭示大型分子的運作機制。” 來(lái)自西班牙國家癌癥研究中心的Oscar Llorca博士說(shuō)道。

構建細胞的支架

微管就像腳手架結構，正如建筑施工時(shí)一樣，細胞需要將它們在正確的位置、方向和時(shí)間組裝。γTuRC起到裝配微管初始部分的模板作用。

然而，γTuRC在其初始狀態(tài)下并不完全適合用作模板，科學(xué)家們對其如何轉變?yōu)楹线m的形狀以開(kāi)始裝配微管一直感到困惑。研究人員現在證實(shí)，CDK5RAP2在這一過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。它通過(guò)附著(zhù)于γTuRC并刺激其活性，幫助它形成更為對稱(chēng)、接近微管的結構，從而提高微管成核的效率。如果沒(méi)有這種激活，γTuRC將保持不對稱(chēng)的形態(tài)，無(wú)助于微管的形成。

“CDK5RAP2就像一位項目經(jīng)理，確保細胞的支架被正確構建。這一過(guò)程對細胞的成長(cháng)和分裂至關(guān)重要。” 研究的第一作者，CNIO 和巴塞羅那 IRB 的研究人員 Marina Serna 和 Fabian Zimmermann解釋道。

先進(jìn)成像技術(shù)的力量

為了揭示這一機制，研究團隊使用了冷凍電子顯微鏡（cryo-EM），這是一種尖端技術(shù)，使科學(xué)家能夠捕捉如γTuRC一類(lèi)大分子復合物的高分辨率圖像。通過(guò)冷凍電鏡，他們觀(guān)察到CDK5RAP2如何結合到γTuRC上并引發(fā)其結構變化。這些細節圖像提供了對復合體如何采用微管樣對稱(chēng)性的深刻見(jiàn)解。

使用冷凍電鏡，他們觀(guān)察到CDK5RAP2多個(gè)副本如何圍繞錐形的γTuRC外部結合，使其形成能夠有效啟動(dòng)微管生長(cháng)的結構。

研究還發(fā)現，在激活過(guò)程中，γTuRC頻繁釋放一種名為肌動(dòng)蛋白的蛋白質(zhì)，它通常存在于非激活狀態(tài)的γTuRC內部。這種肌動(dòng)蛋白的釋放可能對復合體形成更功能性的微管樣結構具有重要意義。

盡管這項研究揭示了細胞是如何構建其內部支架的關(guān)鍵步驟的，但研究人員現在感興趣的是，gTuRC 激活缺陷是否可能是由 CDK5RAP2 基因和編碼 gTuRC 亞基的基因突變引起的某些罕見(jiàn)神經(jīng)發(fā)育障礙的基礎。另一個(gè)重要問(wèn)題是是否存在其他替代性 gTuRC 激活機制。這些見(jiàn)解將幫助人們更深入地了解細胞如何組裝其微管細胞骨架，這是確定潛在機制并最終提供改善機會(huì )的先決條件。

雜志：Developmental Cell

DOI：10.1016/j.devcel.2024.09.001