בתוך כל תא, רשת של חוטים זעירים, הנקראים ציטושלד המיקרוטובולי, מסייעת בשמירה על צורת התא, מאפשרת לו להתחלק, ומעבירה חומרים חיוניים מחלק אחד של התא לאחר. החוטים היוצרים רשת זו, המכונים מיקרו-צינוריות, הם צינורות חלולים הפועלים כמבני פיגום ומסלולי הובלה. מדענים כבר זמן רב סקרנים כיצד תאים שולטים ביצירת המיקרוטובולים הללו, תהליך חיוני לתפקוד בריא וחלוקה של התא. זוהי שאלה חשובה, שכן מיקרוטובוליות הן גם מטרה עיקרית המשמשת לכימותרפיה להרוג תאי סרטן.
שני צוותי מחקר, אחד במכון למחקר בביו-רפואה (IRB ברצלונה), בראשות ד"ר ינס לודרס, ואחד ב-Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), בראשותו של ד"ר אוסקר יורקה, עשו כעת פריצת דרך חשובה בהבנה כיצד תאים יוצרים את המיקרוטובולים היוצרים את השלד הפנימי שלהם. הממצאים שלהם, שפורסמו ב תא התפתחותישופכים אור על האופן שבו חלבון בשם CDK5RAP2 מפעיל את קומפלקס טבעת המיקרוטובולין γ-טובולין (γTuRC), מרכיב מרכזי בתהליך בניית השלד הזה, ועוזר לתאים לארגן את הפנים שלהם ולהתחלק כראוי.
"המפתח להצלחת הפרויקט הזה היה שהצלחנו לשחזר את ההפעלה של גרעיני המיקרוטובוליות gTuRC במבחנה, ולספק לנו כמויות מספיקות של חומר באיכות גבוהה לניתוח ה-cryo-EM", אומר ד"ר ינס לודרס, ראש האגף המעבדה של ארגון המיקרוטובולים בהפצת תאים ובידול ב-IRB ברצלונה.
עבודה זו היא דוגמה יפה לאופן שבו הדמיית מולקולות בודדות ברזולוציה גבוהה באמצעות cryo-EM והעיבוד הבא של מידע זה באמצעות אלגוריתמים מבוססי רשת עצבית יכולים לחשוף מולקולות גדולות בפעולה וכיצד הן פועלות."
ד"ר אוסקר ליורקה, מקבוצת תגובת ה-Macroolecular Complexes in DNA Damage Response ב-CNIO
בניית מסגרת התא
מיקרוטובולים הם כמו מבני פיגום, ובדיוק כמו בעת בניית בניין, התא צריך להרכיב אותם במקומות הנכונים, בכיוון הנכון ובזמנים הנכונים. עבודה זו מטופלת על ידי γTuRC, אשר פועלת כמו תבנית להרכבת החלקים הראשונים של המיקרוטובולה.
עם זאת, במצב היסוד שלו gTuRC אינו מעוצב בצורה מושלמת לתפקד כתבנית, ובמשך שנים מדענים תמהו כיצד γTuRC עשוי לקבל את הצורה הנכונה כדי להתחיל את תהליך הבנייה. חוקרים הראו כעת ש-CDK5RAP2 ממלא תפקיד מרכזי בתהליך זה על ידי קישור ל-γTuRC וגירוי פעילותו. החלבון נצמד לחמישה אתרי מפתח ב-γTuRC, ועוזר לו לקבל מבנה סימטרי יותר, דמוי מיקרו-צינוריות, המאפשר גרעין יעיל של מיקרו-צינוריות. ללא הפעלה זו, ה- γTuRC יישאר בצורתו הא-סימטרית, שאינה מתאימה היטב להיווצרות מיקרו-צינוריות תבנית.
"CDK5RAP2 הוא כמו מנהל בנייה, המבטיח שהשלד של התא נבנה כראוי. תהליך זה הוא בסיסי לתאים לגדול ולהתחלק", מסבירים מרינה סרנה ופביאן צימרמן, המחברים הראשונים של המחקר, חוקרי CNIO ו-IRB ברצלונה בהתאמה.
כוחה של הדמיה מתקדמת
כדי לחשוף את המנגנון הזה, הצוות השתמש במיקרוסקופיה קריו-אלקטרון (cryo-EM), טכניקה חדשנית המאפשרת למדענים ללכוד תמונות ברזולוציה גבוהה של קומפלקסים מקרו-מולקולריים מטוהרים כגון gTuRC. באמצעות cryo-EM, הם הצליחו לראות כיצד CDK5RAP2 נקשר ל-γTuRC, מה שגרם לשינויים מבניים בקומפלקס. תמונות מפורטות אלו סיפקו תובנות חסרות תקדים לגבי האופן שבו המתחם מאמץ סימטריה דמוית מיקרו-צינוריות.
עם cryo-EM, הם הצליחו לראות כיצד עותקים מרובים של CDK5RAP2 נקשרים סביב החלק החיצוני של γTuRC בצורת חרוט, מה שמאפשר לו לאמץ צורה שיכולה להתחיל ביעילות את צמיחת המיקרוטובוליות.
המחקר גם גילה שבמהלך ההפעלה, γTuRC משחרר לעתים קרובות חלבון בשם אקטין, אשר קיים בדרך כלל בתוך מבנה ה-γTuRC הלא מופעל. שחרור זה של אקטין עשוי להיות חשוב כדי לאפשר לקומפלקס לאמץ את צורתו הפונקציונלית יותר, דמוית מיקרו-צינוריות.
בעוד מחקר זה חושף שלבים קריטיים באופן שבו תאים בונים את הפיגומים הפנימיים שלהם, החוקרים מתעניינים כעת האם פגמים בהפעלה של gTuRC עשויים לעמוד בבסיס הפרעות נוירו-התפתחותיות נדירות הנגרמות על ידי מוטציות בגן CDK5RAP2 ובגנים המקודדים לתת-יחידות gTuRC. שאלה חשובה נוספת היא האם קיימים מנגנוני הפעלה חלופיים אחרים של gTuRC. תובנות כאלה יובילו להבנה מעמיקה יותר של האופן שבו תאים מרכיבים את השלד המיקרוטובולי שלהם, שהוא תנאי מוקדם לזיהוי מנגנוני המחלה, ובסופו של דבר, הזדמנויות להתערבות טיפולית.
העבודה מומנה על ידי משרד המדע והחדשנות הספרדי, עם תמיכה נוספת מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי. קרן "la Caixa" תרמה גם היא באמצעות תוכנית המלגות שלה, לצד פעולות Marie Skłodowska-Curie של האיחוד האירופי.
