每个细胞内都有一个由细小纤维组成的网络，称为微管细胞骨架，它有助于维持细胞的形状，使细胞分裂，并将重要物质从细胞的一个部分运输到另一个部分。构成这个网络的纤维称为微管，它们是空心管，可充当支架结构和运输轨道。
科学家们一直对细胞如何控制这些微管的形成感到好奇，这一过程对于健康的细胞功能和分裂至关重要。这是一个重要的问题，因为微管也是化疗杀死癌细胞的主要靶点。
两个研究团队，一个来自巴塞罗那生物医学研究所 (IRB Barcelona)，由 Jens Lüders 博士领导，另一个来自国家肿瘤研究中心 (CNIO)，由 Oscar Llorca 博士领导，目前在了解细胞如何产生构成其内部骨架的微管方面取得了重要突破。
他们的研究成果发表在《发育细胞》杂志上，揭示了一种名为 CDK5RAP2 的蛋白质如何激活微管成核剂 γ-微管蛋白环复合物 (γTuRC)，这是这一骨架构建过程的关键组成部分，帮助细胞组织其内部并正确分裂。
“该项目成功的关键在于我们能够在体外重建微管成核剂 gTuRC 的活性，为我们的低温电子显微镜分析提供足量的高质量材料，”巴塞罗那 IRB 细胞增殖和分化实验室微管组织负责人 Lüders 博士评论道。
“这项工作是一个很好的例子，说明如何使用低温电子显微镜以高分辨率可视化单个分子，然后使用基于神经网络的算法处理这些信息，从而揭示大分子的作用和工作原理，”法国国家科研中心 DNA 损伤反应大分子复合物研究组的 Llorca 博士说道。
构建细胞框架
微管就像脚手架结构，就像建造建筑物一样，细胞需要在正确的位置、正确的方向和正确的时间组装它们。这项工作由 γTuRC 负责，它充当组装微管第一部分的模板。
然而，在基态下，gTuRC 的形状并不完美，无法作为模板发挥作用，多年来，科学家一直在困惑 γTuRC 如何才能呈现正确的形状来开始构建过程。
研究人员现已证明，CDK5RAP2 通过与 γTuRC 结合并刺激其活性，在此过程中发挥着核心作用。该蛋白质附着在 γTuRC 上的五个关键位点上，帮助其呈现更对称的微管状结构，从而实现高效的微管成核。如果没有这种激活，γTuRC 将保持其不对称形式，这不适合模板微管形成。
“CDK5RAP2 就像一名建筑经理，确保细胞的骨架正确建造。这个过程对于细胞的生长和分裂至关重要，”这项研究的第一作者、CNIO 和 IRB Barcelona 的研究人员 Marina Serna 和 Fabian Zimmermann 解释道。
先进成像的威力
为了揭示这一机制，该团队使用了低温电子显微镜(cryo-EM)，这是一种尖端技术，科学家可以利用它捕获纯化的大分子复合物(如 gTuRC)的高分辨率图像。通过低温电子显微镜，他们能够观察到 CDK5RAP2 如何与 γTuRC 结合，从而引发复合物的结构变化。这些详细的图像为了解复合物如何采用微管状对称性提供了前所未有的见解。
利用低温电子显微镜，他们能够看到 CDK5RAP2 的多个拷贝如何结合在锥形 γTuRC 的外部，从而使其能够采用一种能够有效启动微管生长的形式。
研究还发现，在激活过程中，γTuRC 会频繁释放一种名为肌动蛋白的蛋白质，这种蛋白质通常存在于未激活的 γTuRC 结构内。肌动蛋白的释放可能对使该复合物采用更具功能性的微管状形状很重要。
虽然这项研究揭示了细胞构建内部支架的关键步骤，但研究人员现在感兴趣的是，gTuRC 激活缺陷是否可能是由 CDK5RAP2 基因和编码 gTuRC 亚基的基因突变引起的某些罕见神经发育障碍的根本原因。
另一个重要问题是是否存在其他替代的 gTuRC 激活机制。这些见解将有助于更深入地了解细胞如何组装微管细胞骨架，这是识别疾病机制的先决条件，并最终为治疗干预提供机会。