Capturan la primera película de cómo se construyen 'autopistas moleculares' en las células humana

Un equipo del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona y el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) de Madrid han captado las primeras imágenes en alta resolución de los primeros momentos de formación de microtúbulos en el interior de las células humanas. Los hallazgos, publicados en la revista Science, sientan las bases para posibles avances en el tratamiento de muchos tipos diferentes de enfermedades que van desde el cáncer hasta los trastornos del neurodesarrollo.

"Los microtúbulos son componentes críticos de las células, pero todas las imágenes de los libros de texto que describen el proceso de formación son modelos o dibujos animados basados en estructuras de levaduras. Aquí capturamos el proceso en acción dentro de las células humanas. Ahora que sabemos cómo es, podemos explorar cómo se regula. Dado el papel fundamental de los microtúbulos en la biología celular, esto podría conducir a nuevos enfoques terapéuticos para una amplia gama de trastornos", explica el profesor de investigación ICREA Thomas Surrey, coautor principal del estudio e investigador del Centro de Regulación Genómica.

'Autopistas moleculares’ de la célula

Una célula es muy parecida a una ciudad. Requiere una infraestructura sofisticada para funcionar. Uno de los componentes más importantes son los microtúbulos, tubos formados por proteínas que actúan como puentes o carreteras que ayudan a mover las cosas y dan forma a la célula. Es importante destacar que son fundamentales para la división celular, ya que garantizan que puedan nacer dos nuevas células a partir de una. En las neuronas, son absolutamente esenciales, formando autopistas para el transporte a larga distancia.

Los microtúbulos están formados por un gran conjunto de proteínas conocido como el complejo de anillos gamma-tubulina (γ-TuRC). Las proteínas funcionan como una plantilla, colocando pequeños bloques de construcción llamados tubulinas en un orden específico. Este es un proceso conocido como la nucleación de microtúbulos, que es como colocar las piedras fundamentales de un puente. Una vez colocados los cimientos, se añaden tubulinas para alargar el puente todo lo que sea necesario.

Para que la célula funcione correctamente, los microtúbulos deben estar formados por trece filas de tubulina. Recientemente, el campo de la biología molecular se quedó perplejo al descubrir que el γ-TuRC humano expone catorce filas de tubulinas. Esto fue confuso porque se esperaba que el γ-TuRC fuera una plantilla perfecta para los microtúbulos, y no parecía ser el caso. Pero las estructuras de alta resolución solo habían capturado γ-TuRC o microtúbulos de forma aislada y nunca juntos, hasta ahora.

"Tuvimos que encontrar condiciones que nos permitieran obtener imágenes de más de un millón de microtúbulos en el proceso de nucleación antes de que crecieran demasiado y oscurecieran la acción de γ-TuRC. Pudimos lograrlo utilizando la caja de herramientas moleculares de nuestro laboratorio y luego congelar los talones de microtúbulos en su lugar", explica Cláudia Brito, investigadora postdoctoral en el CRG y coprimera autora del estudio.

Imágenes de alta resolución

Para observar el γ-TuRC mientras formaba microtúbulos, el equipo preparó muestras en el CRG y en el Centro Conjunto de Microscopía Electrónica del ALBA (JEMCA), donde se congelaron rápidamente en una fina capa de hielo, preservando la forma natural de las moléculas implicadas y ayudando a discernir los detalles finos de las estructuras a nivel atómico.

A continuación, las muestras congeladas se enviaron al BREM en Vizcaya, donde los datos de alta resolución generados se transfirieron para ser analizados en el CNIO de Madrid. Marina Serna, científica del CNIO, utilizó las imágenes obtenidas por criomicroscopía electrónica y otros métodos complejos para determinar la estructura 3D del γ-TuRC durante la formación de microtúbulos.

El análisis reveló que a medida que γ-TuRC inicia el proceso de nucleación y se comienzan a formar los microtubulos, la plantilla cambia su forma. Inicialmente en estado abierto, se cierra progresivamente a medida que el microtúbulo crece. El cambio hace que γ-TuRC guarde una de sus 14 tubulinas, coincidiendo efectivamente con el diseño del microtúbulo que solo necesita 13 filas. Todo el proceso se ve facilitado por un mecanismo de cierre, que muestra que es el propio microtúbulo en crecimiento el que ayuda a la plantilla a encontrar su forma correcta.

Óscar Llorca, director del programa de Biología Estructural del CNIO y coautor principal del artículo, explica: "Hemos visualizado el proceso que inicia la formación de microtúbulos, y vemos que el γ-TuRC humano es un anillo abierto que se cierra para convertirse efectivamente en una plantilla perfecta para formar núcleos en los microtúbulos. Pero también descubrimos que este anillo, para cerrarse, necesita que se coloque el 'primer ladrillo' de un microtúbulo; cuando esto sucede, una región del γ-TuRC humano actúa como un ancla que engancha este 'primer ladrillo' para luego cerrar el anillo y poner en marcha la formación de los microtúbulos".

Consecuencias para la salud y las enfermedades humanas

La consecuencia más conocida del mal funcionamiento de los microtúbulos es el cáncer, una enfermedad caracterizada por una proliferación celular descontrolada. Los trastornos del neurodesarrollo, como la microcefalia, también ocurren cuando los procesos de los microtúbulos fallan, así como otras afecciones que van desde problemas respiratorios hasta enfermedades cardíacas.

Algunos fármacos contra el cáncer actúan dirigiéndose a los microtúbulos, evitando que se desmonten o se formen en primer lugar. Sin embargo, estos alteran los microtúbulos indiscriminadamente tanto en las células cancerosas como en las sanas, lo que provoca efectos secundarios. Los tumores también desarrollan resistencia a estos fármacos.

Los hallazgos del estudio son importantes porque comprender el mecanismo preciso de cómo se establecen los microtúbulos podría conducir al desarrollo de tratamientos contra el cáncer más específicos y efectivos, así como nuevas terapias para muchas enfermedades distintas.

"El proceso de nucleación decide dónde están los microtúbulos en una célula y cuántos tienes en primera instancia. Es probable que los cambios conformacionales que observamos estén controlados por reguladores aún no encontrados en las células. En otros estudios se han descrito varios candidatos, pero su mecanismo de acción no está claro. A medida que el trabajo adicional aclara cómo los reguladores se unen al γ-TuRC y cómo afectan los cambios conformacionales durante la nucleación, puede transformar nuestra comprensión de cómo funcionan los microtúbulos y, finalmente, ofrecer sitios alternativos a los que uno podría querer apuntar para evitar que las células cancerosas pasen por el ciclo celular", concluye el Dr. Surrey.

Imaegn: Antes y después de que el TuRC gamma se cierre, iniciando la nucleación de microtúbulos. Crédito: Marina Serna/CNIO