Как микротрубочки участвуют в обработке клеточных сигналов

Микротрубочки играют активную роль в коммуникации внутри клетки, передавая полученные сигналы функциональным единицам клетки. Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI и факультета биомедицины Базельского университета впервые структурно выяснили, как эти белковые нити цитоскелета достигают этого. Их результаты могут помочь вмешаться в это общение и, например, предотвратить рост опухоли. Исследование было опубликовано в Клетка.

Самые разнообразные функции клетки в организме человека — от деления и дифференцировки клеток до подвижности и запрограммированной гибели клеток — контролируются сигнальными белками внутри клетки. Это включает в себя иммунную систему и чтение генетической информации. Первоначально команды приходят извне клетки через гормоны, цитокины или факторы роста; они достигают клеточной мембраны, связываются с соответствующими рецепторами, а затем транслируются в сигнальные белки, которые передают команды внутрь клетки. Затем сигнал достигает микротрубочек через несколько этапов.

Микротрубочки представляют собой центральные белковые цепи цитоскелета. Подобно тому, как человеческое тело поддерживается костным скелетом, клетка поддерживается цитоскелетом. Однако цитоскелет выполняет и другие функции. Если мы думаем о клетке как о городе, микротрубочки образуют, так сказать, основные дороги, соединяющие важные структуры (соответствующие органеллам, таким как ядро, митохондрии и рибосомы) и обеспечивающие транспортировку товаров (биомолекул) между ними.

Разница в том, что микротрубочки динамичны: они постоянно образуют новые связи и разрушают старые, тем самым перестраиваясь. Ранее считалось, что микротрубочки были просто приемниками в контексте передачи сигналов клетками, которые реагировали на такие команды, изменяя свою динамику и свою организацию. Но на самом деле они выполняют еще и функцию передачи сигналов на другие приемники.

Когда такие белки стыкуются, они активируют сигнальные пути для определенных клеточных функций, таких как иммунная защита и деление клеток, которые имеют фундаментальное значение для организма. Если бы они этого не сделали, некоторые команды не дошли бы до места назначения, и клетки не смогли бы функционировать. Исследования продемонстрировали это несколько десятилетий назад.

Однако до недавнего времени оставалось неясным, как такая передача сигналов через микротрубочки происходит на молекулярном уровне. Команда из Центра наук о жизни PSI, возглавляемая ведущим автором Сунг Чой и руководителем проекта Мишелем Штайнмецем, теперь объяснила это с помощью сигнального белка под названием GEFH1 — в тесном сотрудничестве с исследовательской группой Альфреда Циппелиуса на факультете биомедицины Базельского университета.

Как работает процесс

ГЭФХ1 означает фактор обмена гуаниновых нуклеотидов H1, который представляет собой тщательно изученный сигнальный белок, активирующий так называемый сигнальный путь RhoA. Один только этот сигнальный путь — и это лишь один из многих — запускает целый каскад клеточных процессов, которые контролируют функции, включая деление и подвижность клеток, так что он может, например, участвовать в заживлении ран.

Как только GEFH1 достигает микротрубочек, он стыкуется и инактивируется. Используя криоэлектронную микроскопию, биохимические и клеточные биологические исследования, команда PSI теперь смогла продемонстрировать, что это связывание происходит только через очень специфическую молекулярную часть белка, состоящую из множества аминокислот, так называемый домен C1.

«Мы разработали и протестировали фрагменты GEFH1, способные связываться с микротрубочками», — сообщает Чой. «Мы сконструировали варианты GEFH1 с мутированными сайтами стыковки и ввели их в клетки, чтобы посмотреть, будут ли они связываться. Это позволило нам четко установить, что за связывание отвечает только домен C1».

Так обстоит дело ровно с четырьмя тубулинами — специальными белками, составляющими нити микротрубочек. GEFH1 с его доменом C1 вписывается в углубление между ними, как заглушка в подходящее отверстие. Это выявил криоэлектронный микроскоп.

Сигнальный белок высвобождается, когда микротрубочка распутывается в ходе своего нормального движения, а цепь тубулина разрывается на части в том месте, где она расположена. Это активирует сигнальный путь RhoA, чтобы инициировать дальнейшие клеточные процессы.

Новый инструмент для медицины

Результаты исследования служат главным образом улучшению фундаментального понимания клеточных процессов. «Они дополняют нашу картину сигнальных каскадов, запускаемых в клетке веществами-мессенджерами, такими как гормоны и цитокины», — говорит Стейнмец. «В качестве активного элемента в этом механизме микротрубочки приобретают еще большее значение».

Более того, более точное понимание этих процессов открывает нам новые возможности в медицине. Уже существуют способы блокировать рецепторы определенных сигнальных белков на клеточной мембране, чтобы предотвратить пролиферативный рост клеток, например, при раке, или, в других случаях, способствовать связыванию и, таким образом, укрепить иммунную систему.

Теперь такие варианты вмешательства могут быть разработаны на уровне домена C1 и микротрубочек. «Тогда у нас будет дополнительный инструмент для устранения неисправностей», — говорит Чой.

Это открытие, вероятно, можно перенести на многие другие сигнальные белки и пути: «Другие сигнальные белки — а помимо GEFH1 их бесчисленное множество — имеют другую структуру», — объясняет Стейнмец. «Но многие из них также имеют домен C1, с помощью которого они связываются с микротрубочками». Таким образом, количество вариантов медицинского вмешательства, основанных на блокировании или стимулировании связывания домена C1, может быть соответственно огромным.

Одним из особенно важных примеров является белок RASSF1A, подавляющий опухоль, взаимодействие которого с микротрубочками через домен C1 также было продемонстрировано в ходе этого исследования. RASSF1A является одним из прототипных генов-супрессоров опухолей и часто инактивируется при более чем 40 типах злокачественных новообразований человека, включая рак легких, молочной железы, простаты, глиому, нейробластому, множественную миелому и рак почки. Это еще раз подчеркивает терапевтическую значимость механизма домена C1.

Однако существуют также сигнальные белки, которые связываются с микротрубочками, не имея домена C1. «Как они это делают, мы хотим выяснить в ходе дальнейших исследований», — говорит Стейнмец. «С этой целью мы разработали ряд тестов и процедур, которые можно перенести на задачу отслеживания дополнительных механизмов».