Atoomkrachtmicroscopie onthult defecten in microtubuli met een submoleculaire resolutie

Recentelijk in een onderzoek gepubliceerd in het journaal Nano-brievenhebben onderzoekers van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University, Kanazawa, Japan, frequentiegemoduleerde atoomkrachtmicroscopie gebruikt om de submoleculaire structuur van het binnenoppervlak van microtubuli (MT) te onthullen en structurele defecten in het MT-rooster te visualiseren, wat waardevolle informatie oplevert inzicht in de complexe dynamische processen die de functie van microtubuli reguleren.

Microtubuli (MT’s), een sleutelcomponent van het cytoskelet in eukaryote cellen, dienen als steigers en spelen een cruciale rol in cellulaire processen zoals celdeling, celmigratie, intracellulair transport en mensenhandel. MT’s zijn samengesteld uit α-tubuline- en β-tubuline-eiwitten, die polymeriseren tot dimeren en zich assembleren tot lineaire protofilamenten die een cilindrisch rooster vormen.

Traditionele methoden zoals röntgenkristallografie en cryo-elektronenmicroscopie hebben structurele inzichten in MT’s opgeleverd, maar brengen complexe monstervoorbereiding en data-analyse met zich mee. Er blijft behoefte aan technieken die structurele kenmerken van MT, assemblagedynamiek en roosterdefecten kunnen onderzoeken met submoleculaire resolutie onder fysiologische omstandigheden.

Het buitenoppervlak van de MT-wand is uitgebreid bestudeerd. Er zijn echter beperkte onderzoeken gedaan naar de submoleculaire rangschikking van tubulinedimeren in de binnenste MT-wand. De buiten- en binnenwanden van MT’s interageren met verschillende eiwitten.

Om deze kloof te dichten heeft een team van wetenschappers onder leiding van Ayhan Yurtsever, Hitoshi Asakawa en Takeshi Fukuma van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University, frequentiemodulatie atomaire krachtmicroscopie (FM-AFM) gebruikt om de submoleculaire microscopie te bestuderen. opstelling van tubulinedimeren op zowel de binnen- als de buitenoppervlakken van MT (zie figuur 1). Het binnenste MT-oppervlak vertoonde een gegolfde structuur, terwijl het buitenoppervlak ondiepe golvingen vertoonde (zie figuur 2).

Eén protofilament was topografisch hoger dan het aangrenzende protofilament. Deze differentiële topografie werd veroorzaakt door verschillen in de structurele oriëntaties en conformatie van αβ-tubuline-heterodimeren tussen aangrenzende protofilamenten. De α-tubuline- en β-tubuline-monomeren van de protofilamenten op het binnenoppervlak zijn geheroriënteerd tijdens de structurele overgang van buizen naar vellen.

Het binnenoppervlak had ook een “naad” -lijn, die wordt geacht flexibiliteit te verlenen aan MT’s. FM-AFM maakte de detectie mogelijk van verschillende rooster- of structurele defecten veroorzaakt door ontbrekende tubuline-subeenheden langs de protofilamenten in de MT-roosterschacht in het gelokaliseerde gebied. Deze defecten kunnen de moleculaire rangschikking van protofilamenten veranderen en bijgevolg de functies van MT’s aantasten.

De studie onderzocht ook MT-interacties met Taxol, een chemotherapiemedicijn dat uitsluitend bindt aan β-tubuline-subeenheden binnen αβ-tubuline-dimeren op het binnenste MT-oppervlak. Taxol-gestabiliseerde microtubuli remmen de deling en migratie van kankercellen, waardoor mogelijk de progressie van kanker wordt vertraagd.

Deze binding diende als een marker om individuele α- en β-tubuline-subeenheden te onderscheiden in AFM-beelden met hoge resolutie. Dit inzicht onderstreept het potentieel van FM-AFM om de moleculaire mechanismen te onderzoeken van geneesmiddelen die zich op MT’s richten.

Samenvattend biedt FM-AFM kritische inzichten in de MT-structuur, dynamiek en geneesmiddelinteracties, waardoor het potentieel wordt onthuld voor het bevorderen van de ontdekking van geneesmiddelen. Het begrijpen van de MT-functie en eiwitinteracties kan de ontwikkeling van specifiekere en efficiëntere therapieën begeleiden, vooral voor kanker, waarbij MT’s belangrijke therapeutische doelen zijn.