Открытие механизма действия Таксола может привести к созданию лучших противораковых препаратов
Ученые из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили крайне тонкий эффект, который препарат Таксол оказывает внутри клеток, делающий его одним из самых широко используемых в мире противоопухолевых агентов.
Детали, касающиеся вмешательства препарата в нормальную функцию микротрубочек (части клеточного скелета), могут помочь в разработке лучших противораковых препаратов или в улучшении Таксола и других лекарств, уже известных своим воздействием на микротрубочки.
Результаты опубликованы в выпуске журнала Cell от 22 мая.
"Усилия по лучшему пониманию этих химиотерапевтических средств очень важны, потому что существуют некоторые различия в микротрубочках раковых клеток по сравнению с нормальными, которые, возможно, мы сможем использовать", — сказала ведущий автор Ева Ногалес, биофизик, профессор молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Беркли и старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL).
Таксол, первоначально выделенный из коры тихоокеанского тиса, является одним из наиболее часто используемых препаратов против солидных опухолей и препаратом первой линии для лечения рака яичников и распространенного рака молочной железы. Известно, что препарат связывается с микротрубочками и, по сути, замораживает их на месте, что предотвращает их разделение хромосом при делении клетки. Это убивает делящиеся клетки, в частности раковые, известные быстрой пролиферацией.
Микротрубочки — скелет клетки
Микротрубочки — это полимерные нити, которые постоянно растут и сокращаются, и, делая это, толкают и тянут различные структуры внутри клетки, включая хромосомы. Ученые называют это динамической нестабильностью.
Основной структурной единицей микротрубочки является тубулин — комплекс двух белков: альфа- и бета-тубулина. Единицы тубулина складываются друг на друга, образуя полосы, которые выравниваются с другими полосами и затем "застегиваются", образуя полую трубку — микротрубочку.
"Тубулин, цитоскелетный белок, который самоорганизуется в микротрубочки, абсолютно необходим для жизни каждой эукариотической клетки, поэтому он стал основной мишенью противоопухолевых агентов", — сказала Ногалес.
Микротрубочки растут со своего свободного конца со скоростью около 1 микрона в минуту, постоянно добавляя тубулин (около 20 молекул тубулина в секунду). Но если они перестают расти, они быстро расслаиваются, как кожура банана, высвобождая тубулин для переработки в другие микротрубочки. Это расслоение, или деполимеризация, происходит со скоростью до 15 микрон в минуту, или около 300 молекул тубулина отпадает в секунду.
Микротрубочки подобны сжатым пружинам
Ногалес обнаружила, почему микротрубочки так быстро расслаиваются. При сборке полосы тубулина подвергаются сильному напряжению, но не могут изгибаться и расходиться из-за растущей "шапки" тубулина на конце. Как только рост останавливается и эта шапка исчезает, сдерживаемое напряжение разрывает микротрубочку на части.
Напряжение создается, когда комплекс тубулина, к которому присоединена небольшая энергетическая молекула GTP (гуанозинтрифосфат), подвергается гидролизу, и GTP превращается в GDP (гуанозиндифосфат). Эта химическая реакция уплотняет альфа- и бета-субъединицы, подобно сжатым позвонкам, удерживая стопку тубулина в напряжении, пока микротрубочка растет на своем конце.
"Было предположение, что тубулин должен быть в напряженном состоянии, но никто этого не доказал", — сказала Ногалес. "Мы увидели, что по мере гидролиза GTP структура тубулина застревает в напряженном состоянии, как сжатая пружина. Концевые субъединицы удерживают всю конструкцию вместе".
Когда рост прекращается, напряжение высвобождается, и полосы быстро расслаиваются.
"Эта работа представляет собой большой шаг вперед в решении проблемы с долгой историей", — написал Тим Митчисон в комментарии в том же выпуске Cell.
Ногалес также обнаружила, что Таксол встраивается в белок тубулина и предотвращает уплотнение альфа- и бета-субъединиц, так что напряжение не накапливается. В результате, даже если микротрубочка перестает расти, она остается неповрежденной, по сути замороженной на месте, неспособной расслоиться (деполимеризоваться) и выполнять свою нормальную функцию.
"Таксол обращает эффекты гидролиза GTP", — сказала она.
Ногалес и ее команда обнаружили эти структурные изменения, расширив пределы возможностей криоэлектронной микроскопии. Они достигли разрешения, достаточного для наблюдения деталей размером менее 5 ангстрем (одна десятая нанометра), что примерно равно размеру пяти атомов водорода. Сравнение трехмерных микротрубочек в естественном состоянии, с Таксолом и без него, ясно показало эффект препарата на структуру микротрубочки.