Молекулярная машина, а не конвейер, собирает микротрубочки

Биологи часто представляют сборку молекул в клетке как конвейер: добавить A к B, присоединить C и так далее. Однако реальность может быть больше похожа на молекулярную версию 3D-принтера, где единый механизм собирает молекулу за один раз.

Яркий пример — тубулин. Этот белок, состоящий из двух субъединиц (альфа- и бета-тубулина), собирается в микротрубочки, которые играют жизненно важную роль: придают структуру, перемещают компоненты или служат «рельсами» для движения других молекул.

Особенно критичен этот процесс при делении клеток: микротрубочки формируют веретено деления, которое сначала выстраивает хромосомы, а затем растаскивает их к полюсам клетки. В раковых клетках этот процесс часто нарушается, что приводит к хромосомной нестабильности.

Джавдат Аль-Бассам и его коллеги из Калифорнийского университета в Дэвисе детально изучили белки, собирающие тубулин, и обнаружили, что они образуют единую молекулярную машину, а не ступенчатый путь, как считалось ранее. Работа опубликована в журнале eLife.

Базовая единица тубулина — это димер из альфа- и бета-субъединиц. Именно этот димер придаёт микротрубочкам направленность, что определяет многие их свойства, включая способность собираться/разбираться с любого конца и движение моторных белков в определённом направлении. Эта уникальная организация тубулина сохраняется у всех живых клеток растений и животных.

В сборке альфа-бета димеров тубулина участвуют шесть известных генов. Согласно классической модели, эти белки работали как конвейер, начиная с отдельных субъединиц и заканчивая готовым димером.

«Мы же показали, что четыре самых крупных гена из этих шести формируют машину, которая функционирует как единое целое», — заявил Аль-Бассам. Также было обнаружено, что недавно открытая субъединица — GTP-аза (фермент, обычно считающийся «переключателем»), — фактически питает всю машину химической энергией. Эта энергия, вероятно, необходима для сборки стабильных альфа- и бета-тубулинов.

«Мы и сами этого не ожидали», — отметил Аль-Бассам.

Исследователи работали с системой тубулина дрожжей, но человеческие гены очень похожи.

Сначала они пытались воссоздать систему, работая с одним или двумя генами за раз, но этот «конвейерный» подход не сработал. Затем они поместили все шесть генов в одну молекулу ДНК, чтобы они транскрибировались вместе, — и смогли воссоздать «3D-принтер», собирающий димеры тубулина.

Даже небольшие дефекты в генах, отвечающих за сборку тубулина, связаны с серьёзными нарушениями развития, такими как синдром Кенни–Каффея и гигантская аксональная нейропатия. В раковых клетках часто наблюдается неправильное разделение хромосом из-за проблем с микротрубочками.

По словам Аль-Бассама, результаты открывают новые пути для изучения тубулина, связанных с ним заболеваний и молекулярной биологии в целом. Понимание этой системы может дать новую стратегию для контроля микротрубочек, особенно в бесконтрольно делящихся клетках, например, при некоторых видах рака.

«Оказывается, многие процессы в клетке можно рассматривать как работу подобных машин, — сказал он. — Большинство важных функций в клетках выполняются молекулами, работающими в группах».