Science：世界上第一张人类细胞内微管形成最早时刻的高分辨率图像

巴塞罗那基因组调控中心(CRG)和马德里西班牙国家癌症研究中心(CNIO)的研究人员捕捉到了世界上第一张人类细胞内微管形成最早时刻的高分辨率图像。今天发表在《科学》杂志上的这一发现，为治疗从癌症到神经发育障碍等许多不同类型疾病的潜在突破奠定了基础。

　　

巴塞罗那基因组调控中心(CRG)和西班牙国家癌症研究中心(CNIO)的研究人员捕获了世界上第一张人类细胞内微管形成最早时刻的高分辨率图像。今天发表在《科学》(Science)杂志上的这一发现，为治疗从癌症到神经发育障碍等许多不同类型疾病的潜在突破奠定了基础。

“微管是细胞的关键组成部分，但我们在教科书中看到的所有描述它们最初形成的图像都是基于酵母结构的模型或漫画。在这里，我们捕捉到了人体细胞内发生作用的这一过程。现在我们知道了它的样子，我们可以探索它是如何被调节的。鉴于微管在细胞生物学中的基本作用，这可能最终导致针对各种疾病的新治疗方法，”ICREA研究教授Thomas Surrey解释说。

细胞的分子“高速公路”

细胞就像一个繁华的城市，需要最先进的基础设施来运作。其中最重要的组成部分之一是微管，这种由蛋白质构成的管道就像桥梁或道路一样，帮助移动周围的物质，并赋予细胞形状。重要的是，它们对细胞分裂至关重要，确保两个新细胞可以从一个亲本细胞中诞生。在神经元中，微管绝对是必不可少的，它们构成了长距离运输的高速公路。

微管是由一种称为γ-微管蛋白环复合物(γ-TuRC)的大型蛋白质组装而成的。这些蛋白质就像一张蓝图，按照特定的顺序排列被称为微管蛋白的微小构建块。这个过程被称为微管成核（microtubule nucleation，生物通注），就像铺设桥梁的基石一样。一旦基础设置好，就会添加微管以使桥梁尽可能长。

为了使细胞正常工作，微管需要由13排不同的微管组成。几年前，研究人员困惑地发现，人类γ-TuRC暴露了14排小管蛋白。这是令人困惑的，因为研究人员以为这是微管的完美模板，但事实似乎并非如此。在此之前，γ-TuRC 或微管的高分辨率结构图都是单独出现的，从来没有一起出现过。

“我们必须找到条件，使我们能够在成核过程中对超过一百万个微管进行成像，以免它们长得太长而模糊γ-TuRC的作用。我们能够使用我们实验室的分子工具箱实现这一点，然后将微管存根冻结到位，”Cláudia Brito解释说（该研究的第一作者之一）。

高分辨率成像

为了在γ-TuRC积极形成微管时观察它，研究人员在巴塞罗那的CRG和ALBA的电子显微镜中心(EMCA)制备了样品，在那里它们被快速冷冻在一层薄薄的冰中——保留了所涉及分子的自然形状，并有助于在近原子水平上辨别结构的细节。冷冻样品随后被送到BREM，在那里生成的高分辨率数据随后被转移到马德里的CNIO进行分析。CNIO的工作人员科学家、该研究的共同第一作者Marina Serna使用低温电子显微镜和复杂图像处理方法获得的图像来确定γ-TuRC在形成微管时的3D结构。

分析表明，随着γ-TuRC开始成核过程，微管开始形成，它巧妙地改变了形状。最初处于开放状态，随着微管的生长逐渐关闭。这种变化使得γ-TuRC的14个微管中的一个消失，有效地匹配了只需要13排微管的设计。新发现的锁存机制促进了整个过程，揭示了生长中的微管本身帮助模板找到正确的形状。

CNIO结构生物学项目主任Oscar Llorca解释说:“我们对微管形成的过程进行了可视化，我们发现人类γ-TuRC是一个开放的环，闭合后可有效地成为微管成核的完美模板。但我们也发现，这个环要闭合，需要微管的 "第一块砖 "就位；当这种情况发生时，人类γ-TuRC 的一个区域就会充当锚，与 "第一块砖 "接合，然后闭合环，启动微管形成。”

对人类健康和疾病的影响

微管功能障碍最著名的后果是癌症，这是一种以细胞增殖失控为特征的疾病。当微管过程出现问题时，也会出现小头症等神经发育障碍，以及从呼吸问题到心脏病等其他疾病。

一些抗癌药物通过靶向微管起作用，首先阻止它们分解或形成。然而，这些药物不分青红皂白地破坏癌细胞和健康细胞中的微管，导致副作用。肿瘤也会对这些药物产生耐药性。

这项研究的发现很重要，因为了解微管形成的确切机制可能会导致更有针对性和更有效的癌症治疗方法的发展，以及针对更广泛疾病的新疗法。

Surrey博士总结说:“成核过程决定了微管在细胞中的位置以及细胞中有多少微管。我们观察到的构象变化很可能是由细胞中尚未发现的调节因子控制的。其他研究已经描述了几种候选药物，但其作用机制尚不清楚。随着进一步的工作澄清调节因子如何与γ-TuRC结合，以及它们如何影响成核过程中的构象变化，它可能会改变我们对微管如何工作的理解，并最终提供人们可能想要的替代位点，以防止癌细胞经历细胞周期。”