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》杂志上的研究结果为治疗从癌症到神经发育障碍等多种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描述微管最初形成时刻的所有图像都是基于酵母结构的模型或。在这里，我们捕获了人体细胞内的活动过程。现在我们知道它是什么样子了，我们可以探索它是如何监管的。鉴于微管在细胞生物学中的基本作用，这最终可能会为多种疾病带来新的治疗方法。”该研究的主要合著者、基因组调控中心研究员Thomas Surrey教授解释道。

细胞的分子“高速公路”

细胞就像一座繁华的城市，需要最先进的基础设施才能发挥作用。最重要的组成部分之一是微管，即由蛋白质制成的管子，其作用就像桥梁或道路一样，有助于移动物体并赋予细胞形状。重要的是，它们对于细胞分裂至关重要，确保母细胞能够产生两个新细胞。在神经元中，它们是绝对必要的，形成长距离运输的高速公路。

微管由大量蛋白质组装而成，称为γ-微管蛋白环复合物(γ-TuRC)。这些蛋白质就像蓝图一样工作，以特定的顺序放置称为微管蛋白的微小构建块。这是一个称为微管成核的过程，就像奠定桥梁的基石一样。一旦地基打好，就会添加微管蛋白，使桥的长度达到所需的长度。

为了使细胞正常工作，微管需要由十三行不同的微管蛋白组成。几年前，研究人员困惑地发现人类 γ-TuRC 暴露了十四排微管蛋白。这令人困惑，因为研究人员期望它是微管的完美模板，但事实似乎并非如此。但迄今为止，高分辨率结构仅被拍摄到单独的 γ-TuRC 或微管，而从未被拍摄到在一起。

“我们必须找到能够在成核过程中对超过一百万个微管进行成像的条件，以免它们变得太长并掩盖 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目标，然后将微管存根冷冻到位”，CRG 博士后研究员、该研究的共同第一作者Cláudia Brito解释道。

高分辨率成像

为了在 γ-TuRC 积极形成微管时对其进行观察，研究人员在巴塞罗那 CRG 和 ALBA 电子显微镜中心 (EMCA) 制备了样品，并将它们快速冷冻在薄薄的冰层中，从而保留了微管的自然形状。分子参与并帮助识别近原子水平的结构细节。然后冷冻样本被送往比斯开的巴斯克电子显微镜资源中心 (BREM)，其中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 的研究员、该研究的共同第一作者Marina Serna使用冷冻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。

该分析表明，当 γ-TuRC 开始成核过程和微管开始形成时，它会巧妙地改变其形状。最初处于开放状态，随着微管的生长，它逐渐关闭。这一变化使得 γ-TuRC 隐藏了 14 个微管蛋白中的一个，有效地匹配了仅需要 13 排的微管设计。新发现的闩锁机制促进了整个过程，表明不断生长的微管本身有助于模板找到正确的形状。

CNIO 结构生物学项目主任、该论文的主要合著者 Oscar Llorca 解释道：“我们已经可视化了启动微管形成的过程，我们看到人类 γ-TuRC 是一个开放环，闭合后有效地变成但我们也发现，为了闭合这个环，需要将微管的“第一块砖”放置到位;当这种情况发生时，人类 γ-TuRC 的一个区域将充当锚定件接合这“第一块砖”，然后闭合环并启动微管的形成”。