Cell子刊关于细胞如何构建内部骨架的新发现

在每个细胞内部，被称为微管细胞骨架的微丝网络有助于维持细胞的形状，允许细胞分裂，并将重要物质从细胞的一个部分运送到另一个部分。形成这个网络的细丝被称为微管，它们是中空的管，充当支架结构和运输轨道。长期以来，科学家们一直对细胞如何控制这些微管的形成感到好奇，这是健康细胞功能和分裂所必需的过程。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目标。

两个研究小组，一个在生物医学研究所（IRB Barcelona），由Jens lders博士领导，另一个在国家研究中心Oncológicas (CNIO)，由Oscar Llorca博士领导，现在已经在理解细胞如何产生形成其内部骨架的微管方面取得了重要突破。他们的研究结果发表在《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核子γ-微管蛋白环复合物（γTuRC），这是骨架构建过程的关键组成部分，帮助细胞组织内部并正确分裂。

“这个项目成功的关键是我们能够在体外重建微管成核器gTuRC的激活，为我们提供了足够数量的高质量材料用于冷冻电镜分析”，巴塞罗那IRB细胞增殖和分化实验室微管组织负责人Jens l博士评论道。

“这项工作是一个很好的例子，说明如何使用冷冻电镜在高分辨率下可视化单个分子，以及如何使用基于神经网络的算法对这些信息进行后续处理，从而揭示大分子的作用及其工作原理。来自CNIO DNA损伤反应小组大分子复合物的奥斯卡·略尔卡博士说。 

构建单元的框架

微管就像脚手架结构，就像建造一座建筑物一样，细胞需要在正确的位置、正确的方向和正确的时间将它们组装起来。这项工作是由γ - turc处理的，它就像一个模板，用于组装微管的第一部分。

然而，在基态下，γ - turc的形状并不完美，无法作为模板使用。多年来，科学家们一直困惑于γ - turc如何以正确的形状开始构建过程。研究人员现在已经证明，CDK5RAP2通过结合γ - turc并刺激其活性，在这一过程中起着核心作用。该蛋白附着在γ - turc上的五个关键位点上，帮助其呈现更对称的微管样结构，从而实现有效的微管成核。如果没有这种激活，γ - turc将保持其不对称形式，这并不适合模板微管的形成。

“CDK5RAP2就像一个施工经理，确保细胞的骨架得到正确的构建。该研究的第一作者Marina Serna和Fabian Zimmermann分别是CNIO和巴塞罗那IRB的研究人员，他们解释说：“这个过程是细胞生长和分裂的基础。” 

先进成像的力量

为了揭示这一机制，研究小组使用了冷冻电子显微镜（cryo-EM），这是一种尖端技术，使科学家能够捕获纯化大分子复合物（如gTuRC）的高分辨率图像。通过低温电镜，他们能够观察到CDK5RAP2如何与γ - turc结合，从而引发复合物的结构变化。这些详细的图像提供了前所未有的见解，让我们了解这种复合体是如何采用微管状对称的。

通过低温电镜，他们能够看到CDK5RAP2的多个拷贝如何结合在锥形γ - turc的外部，使其采用一种可以有效启动微管生长的形式。

研究还发现，在激活过程中，γ - turc经常释放一种叫做肌动蛋白的蛋白质，这种蛋白质通常存在于未激活的γ - turc结构中。肌动蛋白的释放可能是重要的，因为它允许复合体采用其功能更强的微管形状。 

虽然这项研究揭示了细胞如何构建其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基础。另一个重要的问题是是否存在其他替代的gTuRC激活机制。这些见解将导致更深入地了解细胞如何组装其微管细胞骨架，这是确定疾病机制的先决条件，并最终为治疗干预提供机会。