Překvapivý objev mění pohled na dělení buněk: Mikrotubuly aktivně chrání před chybami vedoucími k rakovině
Dlouho byly mikrotubuly, dynamická vlákna tvořící vnitřní lešení buňky, považovány za pouhé pasivní strukturální podpory. Nová studie však odhaluje, že hrají mnohem aktivnější signální roli.
Dlouho byly mikrotubuly, dynamická vlákna tvořící vnitřní lešení buňky, považovány za pouhé pasivní strukturální podpory. Nová studie však odhaluje, že hrají mnohem aktivnější signální roli. Zjištění publikovaná v časopise Science Advances ukazují, že mikrotubuly ve skutečnosti regulují enzymatické reakce tím, že přetvářejí geometrii substrátových proteinů enzymu, které jsou k nim připojeny, a kontrolují, kdy mají nastat klíčové události pro provedení buněčného dělení.
Tento objev vrhá nové světlo na jednu z ústředních výzev buněčného dělení. Když se chromozomy připravují na oddělení, musí se správně připojit k mikrotubulům, aby mohly být přitaženy na opačné strany buňky. Pokud se tato spojení vytvoří nesprávně, buňky musí být schopny chybná spojení rozpojit, aniž by narušily ta správná. Studie ukazuje, že mikrotubuly samy tento proces řídí, směrují enzym Aurora B kinázu k rozložení špatných spojení a zároveň stabilizují ta správná. Jde o systém kontroly kvality, který pomáhá předcházet chybám v segregaci chromozomů, jež mohou vést k abnormalitám v počtu přítomných chromozomů, což je charakteristický znak mnoha typů rakoviny.
Pro úspěšné dělení buňky musí nejprve zkopírovat chromozomy nesoucí genetický materiál a tyto kopie oddělit tak, aby každá nová dceřiná buňka obdržela kompletní sadu. Tento delikátní úkol provádí mitotické vřeténko, dočasná struktura dlouhých proteinových vláken zvaných mikrotubuly, která neustále rostou a zmenšují se, zatímco prohledávají buňku po chromozomech. Mikrotubuly se nakonec připojí ke každému chromozomu ve specializované oblasti zvané centromera, kde proteinová struktura známá jako kinetochor funguje jako spojovací zařízení chromozomu. Mikrotubuly táhnou kopie chromozomů k opačným koncům buňky, takže když se buňka rozdělí, každá dceřiná buňka zdědí genetický materiál, který potřebuje k prosperitě.
Proces však zřídka probíhá bez zádrhelů. Mikrotubuly se často připojují nesprávně, někdy uchopí oba sesterské chromozomy ze stejné strany buňky nebo vytvoří zamotané spoje k více pólům vřeténka. Pokud by se tyto chybné vazby nekontrolovaly, způsobily by nerovnoměrnou segregaci chromozomů během dělení, což by vedlo k buňkám s příliš mnoha nebo příliš málo chromozomy. Takové chyby by vedly k chromozomální nestabilitě, stavu, který se vyskytuje u většiny rakovin, kdy buňky nesou nesprávný počet chromozomů. Aby se tomu předešlo, buňky spoléhají na monitorovací systém, který neustále testuje připojení chromozomů, rozpojuje nesprávná, aby se buňka mohla pokusit znovu, dokud není dosaženo správné konfigurace.
V centru tohoto systému kontroly kvality stojí Aurora B, enzym, který nějakým způsobem destabilizuje i stabilizuje spojení mikrotubulů. Během raného buněčného dělení Aurora B oslabuje nesprávná připojení chromozomů na kinetochoru, což jim umožňuje se odpojit, aby se buňka mohla pokusit znovu. Zároveň potlačuje jiný enzym zvaný MCAK, ničitel mikrotubulů, který by jinak rozkládal vlákna vřeténka. Aurora B tak rozpojuje chybné spoje a zároveň chrání samotné vřeténko – rovnováha, která dlouho mátla vědce. Dřívější modely naznačovaly, že správná připojení chromozomů odtahují kinetochory od Aurory B na centromeře každého chromozomu, čímž snižují schopnost enzymu modifikovat blízké proteiny na kinetochoru. Pozdější důkazy však ukázaly, že aktivní Aurora B se nachází na kinetochoru a může se přímo vázat na mikrotubuly, což vedlo tým Hironoriho Funabikiho k navržení alternativy: možná mikrotubuly fyzicky blokují Auroře B přístup k jejím cílům, jakmile je chromozom správně připojen.
Pro ověření, zda mikrotubuly mohou kontrolovat aktivitu Aurory B, tým vědců systém znovu vytvořil mimo buňku pomocí purifikovaných proteinů. Když zkombinovali Auroru B a její regulační komplex se dvěma partnery vázajícími mikrotubuly – komplexem Ndc80, který ukotvuje chromozomy k vřeténku, a MCAK, enzymem, který rozkládá mikrotubuly – objevil se jasný vzor. Když byl Ndc80 již připojen k mikrotubulu, Aurora B se ho snažila modifikovat, což naznačuje, že shluklé komplexy účinně blokovaly přístup enzymu. MCAK se však choval velmi odlišně a zůstal plně přístupný enzymu, i když byl vázán na mikrotubuly. Výsledek naznačuje, že mikrotubuly nejsou jen strukturální podpory, ale aktivní účastníci, kteří kontrolují, ke kterým proteinům se Aurora B může dostat.
Pro pochopení, jak to funguje na molekulární úrovni, vědci použili kryo-elektronovou mikroskopii. Pozorovali, že když se komplex Ndc80 připojí k mikrotubulům, mnoho molekul Ndc80 se shromažďuje do shluků podél vlákna. Tento shlukovaný stav skrývá místa, která Aurora B normálně modifikuje, před enzymem. Když se však MCAK váže na mikrotubuly, místa, která Aurora B modifikuje, zůstávají plně exponovaná, což enzymu usnadňuje provádění změn a uvolnění MCAK z mikrotubulů. Výsledkem je jakýsi molekulární přepínač řízený mikrotubuly. Pokud Aurora B dosáhne komplexu Ndc80 před shlukováním, enzym oslabí připojení, aby ho buňka mohla rozpojit a pokusit se znovu. Jakmile však mikrotubuly uspořádají Ndc80 do shluků, Aurora B již nemůže dosáhnout svých cílů a správné připojení chromozomu je pevně zajištěno. Experimenty na živých buňkách potvrdily, že mikrotubuly musí uspořádat Ndc80 do shluků, aby udržely stabilní připojení chromozomů. Buňky upravené s mutantním Ndc80, které se mohly vázat na mikrotubuly, ale nemohly se shlukovat, měly potíže s udržením stabilních připojení a rovnoměrným dělením chromozomů.