Los microtúbulos son polímeros de tubulina que forman parte del citoesqueleto y proporcionan estructura y forma a las células eucariotas . Los microtúbulos pueden tener una longitud de hasta 50 micrómetros , un ancho de 23 a 27 nm [2] y un diámetro interior de entre 11 y 15 nm. [3] Se forman mediante la polimerización de un dímero de dos proteínas globulares , la tubulina alfa y beta, en protofilamentos que luego pueden asociarse lateralmente para formar un tubo hueco, el microtúbulo. [4] La forma más común de microtúbulo consta de 13 protofilamentos en una disposición tubular.
Los microtúbulos desempeñan un papel importante en una serie de procesos celulares . Intervienen en el mantenimiento de la estructura de la célula y, junto con los microfilamentos y filamentos intermedios , forman el citoesqueleto. También conforman la estructura interna de cilios y flagelos . Proporcionan plataformas para el transporte intracelular y participan en una variedad de procesos celulares, incluido el movimiento de vesículas secretoras , orgánulos y conjuntos macromoleculares intracelulares. [5] También participan en la división celular (por mitosis y meiosis ) y son los principales constituyentes de los husos mitóticos , que se utilizan para separar los cromosomas eucariotas .
Los microtúbulos están nucleados y organizados por centros organizadores de microtúbulos , como el centrosoma que se encuentra en el centro de muchas células animales o los cuerpos basales de los cilios y flagelos, o los cuerpos polares del huso que se encuentran en la mayoría de los hongos.
Hay muchas proteínas que se unen a los microtúbulos, incluidas las proteínas motoras dineína y cinesina , proteínas que cortan los microtúbulos como la katanina y otras proteínas importantes para regular la dinámica de los microtúbulos. [6] Recientemente se ha encontrado una proteína similar a la actina en la bacteria grampositiva Bacillus thuringiensis , que forma una estructura similar a un microtúbulo llamada nanotúbulo, involucrada en la segregación de plásmidos . [7] Otros microtúbulos bacterianos tienen un anillo de cinco protofilamentos.
Los primeros microscopistas, como Leeuwenhoek (1677), observaron procesos mediados por tubulina y microtúbulos, como la locomoción celular . Sin embargo, la naturaleza fibrosa de los flagelos y otras estructuras fue descubierta dos siglos después, con microscopios ópticos mejorados , y confirmada en el siglo XX con el microscopio electrónico y estudios bioquímicos. [8]
Los ensayos in vitro para proteínas motoras de microtúbulos , como la dineína y la cinesina, se investigan marcando con fluorescencia un microtúbulo y fijando el microtúbulo o las proteínas motoras a un portaobjetos de microscopio, y luego visualizando el portaobjetos con microscopía mejorada por video para registrar el viaje de las proteínas motoras. Esto permite el movimiento de las proteínas motoras a lo largo de los microtúbulos o el movimiento de los microtúbulos a través de las proteínas motoras. [9] En consecuencia, algunos procesos de microtúbulos pueden determinarse mediante quimógrafo . [10]
En los eucariotas , los microtúbulos son cilindros largos y huecos formados por dímeros de tubulina α y β polimerizados . [12] El espacio interior de los cilindros huecos de microtúbulos se denomina luz. Las subunidades de tubulina α y β son casi 50% idénticas a nivel de aminoácidos y ambas tienen un peso molecular de aproximadamente 50 kDa. [13] [14]
Estos dímeros de tubulina α/β se polimerizan de extremo a extremo en protofilamentos lineales que se asocian lateralmente para formar un solo microtúbulo, que luego puede extenderse mediante la adición de más dímeros de tubulina α/β. Normalmente, los microtúbulos se forman mediante la asociación paralela de trece protofilamentos, aunque se han observado microtúbulos compuestos por menos o más protofilamentos en varias especies [15], así como in vitro . [dieciséis]
Los microtúbulos tienen una polaridad distinta que es crítica para su función biológica. La tubulina se polimeriza de extremo a extremo, con las subunidades β de un dímero de tubulina en contacto con las subunidades α del siguiente dímero. Por lo tanto, en un protofilamento, un extremo tendrá las subunidades α expuestas mientras que el otro extremo tendrá las subunidades β expuestas. Estos extremos se denominan extremos (-) y (+), respectivamente. Los protofilamentos se agrupan paralelos entre sí con la misma polaridad, por lo que, en un microtúbulo, hay un extremo, el extremo (+), con solo subunidades β expuestas, mientras que el otro extremo, el extremo (-), tiene solo subunidades α. -subunidades expuestas. Si bien el alargamiento de los microtúbulos puede ocurrir tanto en el extremo (+) como (-), es significativamente más rápido en el extremo (+). [17]
La asociación lateral de los protofilamentos genera una estructura pseudohelicoidal, con una vuelta de la hélice que contiene 13 dímeros de tubulina, cada uno de un protofilamento diferente. En la arquitectura "13-3" más común, el decimotercer dímero de tubulina interactúa con el siguiente dímero de tubulina con un desplazamiento vertical de 3 monómeros de tubulina debido a la helicidad del giro. Existen otras arquitecturas alternativas, como 11-3, 12-3, 14-3, 15-4 o 16-4, que se han detectado con una frecuencia mucho menor. [18] Los microtúbulos también pueden transformarse en otras formas, como filamentos helicoidales, que se observan en organismos protistas como los foraminíferos . [19] Hay dos tipos distintos de interacciones que pueden ocurrir entre las subunidades de los protofilamentos laterales dentro del microtúbulo llamadas redes tipo A y tipo B. En la red tipo A, las asociaciones laterales de protofilamentos ocurren entre subunidades de tubulina α y β adyacentes (es decir, una subunidad de tubulina α de un protofilamento interactúa con una subunidad de tubulina β de un protofilamento adyacente). En la red tipo B, las subunidades de tubulina α y β de un protofilamento interactúan con las subunidades de tubulina α y β de un protofilamento adyacente, respectivamente. Los estudios experimentales han demostrado que la red tipo B es la disposición principal dentro de los microtúbulos. Sin embargo, en la mayoría de los microtúbulos hay una costura en la que interactúan las subunidades de tubulina α-β. [20]
La secuencia y la composición exacta de las moléculas durante la formación de los microtúbulos se pueden resumir de la siguiente manera: una β-tubulina se une, en el contexto de un enlace covalente inexistente, con una α-tubulina, que en forma conectada es un heterodímero, ya que se compone de dos polipéptidos diferentes (β-tubulina y α-tubulina). Así, una vez formados los heterodímeros, se unen para formar largas cadenas que se elevan en sentido figurado en una dirección (por ejemplo, hacia arriba). Estos heterodímeros, que están conectados en una dirección determinada, forman protofilamentos. Estas largas cadenas (protofilamentos) ahora se acumulan gradualmente unas junto a otras, de modo que se forma una estructura en forma de tubo, que tiene una luz típica de un tubo. En consecuencia, la pared exterior de los microtúbulos está formada principalmente por 13 protofilamentos. Los heterodímeros constan de un extremo positivo y uno negativo, donde la alfa-tubulina forma el extremo negativo y la beta-tubulina el extremo positivo. Debido a que los heterodímeros están apilados uno encima del otro, siempre hay un extremo negativo y uno positivo. Los microtúbulos crecen mediante la adición de heterodímeros en el extremo positivo.
Algunas especies de Prosthecobacter también contienen microtúbulos. La estructura de estos microtúbulos bacterianos es similar a la de los microtúbulos eucariotas, y consisten en un tubo hueco de protofilamentos ensamblados a partir de heterodímeros de tubulina A bacteriana (BtubA) y tubulina B bacteriana (BtubB). Tanto BtubA como BtubB comparten características de la tubulina α y β . A diferencia de los microtúbulos eucariotas, los microtúbulos bacterianos no requieren chaperonas para plegarse. [21] A diferencia de los 13 protofilamentos de los microtúbulos eucariotas, los microtúbulos bacterianos comprenden sólo cinco. [22]
Los microtúbulos son parte del citoesqueleto , una red estructural dentro del citoplasma de la célula . Las funciones del citoesqueleto de microtúbulos incluyen soporte mecánico, organización del citoplasma, transporte, motilidad y segregación cromosómica. En las neuronas en desarrollo , los microtúbulos se conocen como neurotúbulos [23] y pueden modular la dinámica de la actina , otro componente del citoesqueleto. [24] Un microtúbulo es capaz de crecer y encogerse para generar fuerza, y existen proteínas motoras que permiten que los orgánulos y otros componentes celulares sean transportados a lo largo de un microtúbulo. Esta combinación de funciones hace que los microtúbulos sean importantes para organizar y mover constituyentes intracelulares.
La organización de los microtúbulos en la célula es específica del tipo celular. En los epitelios , los extremos negativos del polímero de microtúbulos están anclados cerca del sitio de contacto célula-célula y organizados a lo largo del eje apical-basal. Después de la nucleación, los extremos negativos se liberan y luego se vuelven a anclar en la periferia mediante factores como ninein y PLEKHA7 . [25] De esta manera, pueden facilitar el transporte de proteínas, vesículas y orgánulos a lo largo del eje apical-basal de la célula. En los fibroblastos y otros tipos de células mesenquimales, los microtúbulos están anclados en el centrosoma e irradian con sus extremos positivos hacia la periferia celular (como se muestra en la primera figura). En estas células, los microtúbulos desempeñan funciones importantes en la migración celular. Además, la polaridad de los microtúbulos está influenciada por proteínas motoras, que organizan muchos componentes de la célula, incluido el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi .
La nucleación es el evento que inicia la formación de microtúbulos a partir del dímero de tubulina. Los microtúbulos suelen estar nucleados y organizados por orgánulos llamados centros organizadores de microtúbulos (MTOC). Dentro del MTOC hay otro tipo de tubulina, la γ-tubulina, que es distinta de las subunidades α y β de los propios microtúbulos. La γ-tubulina se combina con varias otras proteínas asociadas para formar una estructura similar a una arandela de seguridad conocida como "complejo de anillo de γ-tubulina" (γ-TuRC). Este complejo actúa como plantilla para que los dímeros de tubulina α/β comiencen la polimerización; actúa como una tapa del extremo (-) mientras que el crecimiento de los microtúbulos continúa lejos del MTOC en la dirección (+). [26]
El centrosoma es el MTOC primario de la mayoría de los tipos de células. Sin embargo, los microtúbulos también pueden nuclearse desde otros sitios. Por ejemplo, los cilios y los flagelos tienen MTOC en su base denominados cuerpos basales . Además, el trabajo del grupo Kaverina en Vanderbilt, así como el de otros, sugiere que el aparato de Golgi puede servir como una plataforma importante para la nucleación de microtúbulos. [27] Debido a que la nucleación del centrosoma es inherentemente simétrica, la nucleación de microtúbulos asociada a Golgi puede permitir que la célula establezca asimetría en la red de microtúbulos. En estudios recientes, el grupo Vale de la UCSF identificó el complejo proteico augmina como un factor crítico para la generación de microtúbulos basados en husos dependientes del centrosoma. Se ha demostrado que interactúa con γ-TuRC y aumenta la densidad de los microtúbulos alrededor del origen del huso mitótico. [28]
Algunos tipos de células, como las células vegetales, no contienen MTOC bien definidos. En estas células, los microtúbulos se nuclean desde sitios discretos en el citoplasma. Otros tipos de células, como los parásitos tripanosomátidos , tienen un MTOC pero se encuentran permanentemente en la base de un flagelo. Aquí, la nucleación de microtúbulos para funciones estructurales y para la generación del huso mitótico no proviene de un MTOC canónico tipo centríolo.
Después del evento de nucleación inicial, se deben agregar monómeros de tubulina al polímero en crecimiento. El proceso de adición o eliminación de monómeros depende de la concentración de dímeros de αβ-tubulina en solución en relación con la concentración crítica, que es la concentración de dímeros en estado estacionario en la que ya no hay ningún ensamblaje o desmontaje neto al final del microtúbulo. . Si la concentración del dímero es mayor que la concentración crítica, el microtúbulo se polimerizará y crecerá. Si la concentración es menor que la concentración crítica, la longitud del microtúbulo disminuirá. [29]
La inestabilidad dinámica se refiere a la coexistencia de montaje y desmontaje en los extremos de un microtúbulo. El microtúbulo puede cambiar dinámicamente entre fases de crecimiento y contracción en esta región. [30] Los dímeros de tubulina pueden unirse a dos moléculas de GTP, una de las cuales puede hidrolizarse después del ensamblaje. Durante la polimerización, los dímeros de tubulina están unidos a GTP . [12] El GTP unido a la α-tubulina es estable y desempeña una función estructural en este estado unido. Sin embargo, el GTP unido a la β-tubulina puede hidrolizarse a GDP poco después del ensamblaje. Las propiedades de ensamblaje de la tubulina GDP son diferentes de las de la tubulina GTP, ya que la tubulina GDP es más propensa a la despolimerización. [31] Una subunidad de tubulina unida al GDP en la punta de un microtúbulo tenderá a caerse, aunque una tubulina unida al GDP en el medio de un microtúbulo no puede salir espontáneamente del polímero. Dado que la tubulina se agrega al extremo del microtúbulo en el estado unido a GTP, se propone que exista una capa de tubulina unida a GTP en la punta del microtúbulo, protegiéndolo del desmontaje. Cuando la hidrólisis alcanza la punta del microtúbulo, comienza una rápida despolimerización y contracción. Este paso del crecimiento a la contracción se denomina catástrofe. La tubulina unida a GTP puede comenzar a agregarse nuevamente a la punta del microtúbulo, proporcionando una nueva tapa y protegiendo el microtúbulo para que no se encoja. A esto se le llama "rescate". [32]
En 1986, Marc Kirschner y Tim Mitchison propusieron que los microtúbulos utilizan sus propiedades dinámicas de crecimiento y contracción en sus extremos positivos para sondear el espacio tridimensional de la célula. Los extremos positivos que encuentran cinetocoros o sitios de polaridad quedan capturados y ya no muestran crecimiento ni contracción. A diferencia de los microtúbulos dinámicos normales, que tienen una vida media de 5 a 10 minutos, los microtúbulos capturados pueden durar horas. Esta idea se conoce comúnmente como modelo de "búsqueda y captura". [33] De hecho, el trabajo realizado desde entonces ha validado en gran medida esta idea. En el cinetocoro, se ha demostrado que una variedad de complejos capturan los extremos (+) de los microtúbulos. [34] Además, también se ha descrito una actividad de protección del extremo (+) para los microtúbulos en interfase. [35] Esta última actividad está mediada por forminas , [36] la proteína de la poliposis coli adenomatosa , y EB1 , [37] una proteína que sigue el crecimiento de los extremos positivos de los microtúbulos.
Aunque la mayoría de los microtúbulos tienen una vida media de 5 a 10 minutos, algunos microtúbulos pueden permanecer estables durante horas. [35] Estos microtúbulos estabilizados acumulan modificaciones postraduccionales en sus subunidades de tubulina mediante la acción de enzimas unidas a microtúbulos. [38] [39] Sin embargo, una vez que los microtúbulos se despolimerizan, la mayoría de estas modificaciones son rápidamente revertidas por enzimas solubles. Dado que la mayoría de las reacciones de modificación son lentas mientras que las reacciones inversas son rápidas, la tubulina modificada sólo se detecta en microtúbulos estables de larga vida. La mayoría de estas modificaciones ocurren en la región C-terminal de la alfa-tubulina. Esta región, rica en glutamato cargado negativamente, forma colas relativamente desestructuradas que sobresalen del microtúbulo y forman contactos con los motores. Por tanto, se cree que las modificaciones de la tubulina regulan la interacción de los motores con los microtúbulos. Dado que estos microtúbulos modificados estables generalmente están orientados hacia el sitio de polaridad celular en las células en interfase, este subconjunto de microtúbulos modificados proporciona una ruta especializada que ayuda a llevar vesículas a estas zonas polarizadas. Estas modificaciones incluyen:
También se sabe que la tubulina está fosforilada , ubiquitinada , sumoilada y palmitoilada . [38]
Una amplia variedad de fármacos pueden unirse a la tubulina y modificar sus propiedades de ensamblaje. Estos fármacos pueden tener un efecto en concentraciones intracelulares mucho más bajas que las de la tubulina. Esta interferencia con la dinámica de los microtúbulos puede tener el efecto de detener el ciclo celular de una célula y puede conducir a la muerte celular programada o apoptosis . Sin embargo, hay datos que sugieren que la interferencia de la dinámica de los microtúbulos es insuficiente para bloquear las células que sufren mitosis. [46] Estos estudios han demostrado que la supresión de la dinámica se produce en concentraciones inferiores a las necesarias para bloquear la mitosis. Se ha demostrado que la supresión de la dinámica de los microtúbulos mediante mutaciones de tubulina o mediante tratamiento farmacológico inhibe la migración celular. [47] Tanto los estabilizadores como los desestabilizadores de microtúbulos pueden suprimir la dinámica de los microtúbulos.
Los fármacos que pueden alterar la dinámica de los microtúbulos incluyen:
Los taxanos (solos o en combinación con derivados del platino (carboplatino) o gemcitabina) se utilizan contra tumores malignos de mama y ginecológicos, carcinomas de células escamosas (cánceres de cabeza y cuello, algunos cánceres de pulmón), etc.
Se ha informado que la expresión de β3-tubulina altera las respuestas celulares a la supresión de la dinámica de los microtúbulos inducida por fármacos. En general, la dinámica normalmente se suprime por concentraciones bajas y subtóxicas de fármacos de microtúbulos que también inhiben la migración celular. Sin embargo, la incorporación de β3-tubulina en los microtúbulos aumenta la concentración del fármaco necesaria para suprimir la dinámica e inhibir la migración celular. Por tanto, los tumores que expresan β3-tubulina no sólo son resistentes a los efectos citotóxicos de los fármacos dirigidos a los microtúbulos, sino también a su capacidad para suprimir la metástasis tumoral. [48] Además, la expresión de β3-tubulina también contrarresta la capacidad de estos fármacos para inhibir la angiogénesis, que normalmente es otra faceta importante de su acción. [49]
Los polímeros de microtúbulos son extremadamente sensibles a diversos efectos ambientales. Niveles muy bajos de calcio libre pueden desestabilizar los microtúbulos y esto impidió que los primeros investigadores estudiaran el polímero in vitro. [12] Las temperaturas frías también provocan una rápida despolimerización de los microtúbulos. Por el contrario, el agua pesada promueve la estabilidad del polímero de microtúbulos. [50]
Se ha demostrado que los MAP desempeñan un papel crucial en la regulación de la dinámica de los microtúbulos in vivo . Las tasas de polimerización, despolimerización y catástrofe de los microtúbulos varían según las proteínas asociadas a los microtúbulos (MAP) que estén presentes. Los MAP identificados originalmente en el tejido cerebral se pueden clasificar en dos grupos según su peso molecular. Esta primera clase comprende MAP con un peso molecular inferior a 55-62 kDa y se denominan proteínas τ (tau) . Se ha demostrado in vitro que las proteínas tau se unen directamente a los microtúbulos, promueven la nucleación, previenen el desmontaje e inducen la formación de matrices paralelas. [51] Además, también se ha demostrado que las proteínas tau estabilizan los microtúbulos en los axones y se han implicado en la enfermedad de Alzheimer. [52] La segunda clase está compuesta por MAP con un peso molecular de 200-1000 kDa, de los cuales hay cuatro tipos conocidos: MAP-1, MAP-2 , MAP-3 y MAP-4 . Las proteínas MAP-1 están formadas por un conjunto de tres proteínas diferentes: A , B y C. La proteína C juega un papel importante en el transporte retrógrado de vesículas y también se conoce como dineína citoplasmática . Las proteínas MAP-2 se encuentran en las dendritas y en el cuerpo de las neuronas, donde se unen a otros filamentos del citoesqueleto. Las proteínas MAP-4 se encuentran en la mayoría de las células y estabilizan los microtúbulos. Además de los MAP que tienen un efecto estabilizador sobre la estructura de los microtúbulos, otros MAP pueden tener un efecto desestabilizador ya sea escindiendo o induciendo la despolimerización de los microtúbulos. Se ha observado que tres proteínas llamadas katanina , espastina y fidgetina regulan el número y la longitud de los microtúbulos a través de sus actividades desestabilizadoras. Además, se prevé que la proteína similar a CRACD esté localizada en los microtúbulos. [53]
Los MAP son determinantes de diferentes formas citoesqueléticas de axones y dendritas , estando los microtúbulos más separados en las dendritas [54]
Además, las proteínas de seguimiento de los extremos son proteínas MAP que se unen a las puntas de los microtúbulos en crecimiento y desempeñan un papel importante en la regulación de la dinámica de los microtúbulos. Por ejemplo, se ha observado que los +TIP participan en las interacciones de los microtúbulos con los cromosomas durante la mitosis. El primer MAP identificado como +TIP fue CLIP1 70 (proteína conectora citoplasmática), que se ha demostrado que desempeña un papel en los eventos de rescate de la despolimerización de microtúbulos. Ejemplos adicionales de +TIP incluyen EB1 , EB2 , EB3 , p150Glued , Dynamitin , Lis1 , CLIP115 , CLASP1 y CLASP2 . [ cita necesaria ]
Los microtúbulos pueden actuar como sustratos para proteínas motoras que participan en funciones celulares importantes como el tráfico de vesículas y la división celular. A diferencia de otras proteínas asociadas a microtúbulos, las proteínas motoras utilizan la energía de la hidrólisis del ATP para generar trabajo mecánico que mueve la proteína a lo largo del sustrato. Las principales proteínas motoras que interactúan con los microtúbulos son la cinesina , que generalmente se mueve hacia el extremo (+) del microtúbulo, y la dineína , que se mueve hacia el extremo (-).
Algunos virus (incluidos los retrovirus , los herpesvirus , los parvovirus y los adenovirus ) que requieren acceso al núcleo para replicar sus genomas se unen a proteínas motoras.
El centrosoma es el principal MTOC ( centro organizador de microtúbulos ) de la célula durante la mitosis. Cada centrosoma está formado por dos cilindros llamados centriolos , orientados formando ángulos rectos entre sí. El centríolo está formado por 9 microtúbulos principales, cada uno de los cuales tiene dos microtúbulos parciales adheridos. Cada centriolo tiene aproximadamente 400 nm de largo y alrededor de 200 nm de circunferencia. [56]
El centrosoma es fundamental para la mitosis ya que la mayoría de los microtúbulos involucrados en el proceso se originan en el centrosoma. Los extremos negativos de cada microtúbulo comienzan en el centrosoma, mientras que los extremos positivos se irradian en todas direcciones. Por tanto, el centrosoma también es importante para mantener la polaridad de los microtúbulos durante la mitosis. [57]
La mayoría de las células solo tienen un centrosoma durante la mayor parte de su ciclo celular; sin embargo, justo antes de la mitosis, el centrosoma se duplica y la célula contiene dos centrosomas. [58] Algunos de los microtúbulos que irradian desde el centrosoma crecen directamente lejos del centrosoma hermano. Estos microtúbulos se llaman microtúbulos astrales. Con la ayuda de estos microtúbulos astrales, los centrosomas se alejan unos de otros hacia lados opuestos de la célula. Una vez allí, pueden comenzar a formarse otros tipos de microtúbulos necesarios para la mitosis, incluidos los microtúbulos interpolares y las fibras K. [59]
Una última nota importante sobre los centrosomas y microtúbulos durante la mitosis es que, si bien el centrosoma es el MTOC de los microtúbulos necesarios para la mitosis, las investigaciones han demostrado que una vez que los microtúbulos se forman y están en el lugar correcto, los propios centrosomas no son necesarios para que se desarrolle la mitosis. ocurrir. [60]
Los microtúbulos astrales son una subclase de microtúbulos que sólo existen durante y alrededor de la mitosis. Se originan en el centrosoma, pero no interactúan con los cromosomas, cinetocoros ni con los microtúbulos que se originan en el otro centrosoma. [61] En cambio, sus microtúbulos irradian hacia la membrana celular. Una vez allí, interactúan con proteínas motoras específicas que crean una fuerza que atrae los microtúbulos y, por tanto, todo el centrosoma hacia la membrana celular. Como se indicó anteriormente, esto ayuda a los centrosomas a orientarse entre sí en la célula. Sin embargo, estos microtúbulos astrales no interactúan con el propio huso mitótico. Los experimentos han demostrado que sin estos microtúbulos astrales se puede formar el huso mitótico, pero su orientación en la célula no siempre es correcta y, por tanto, la mitosis no se produce con tanta eficacia. [62] Otra función clave de los microtúbulos astrales es ayudar en la citocinesis. Los microtúbulos astrales interactúan con proteínas motoras en la membrana celular para separar el huso y toda la célula una vez que los cromosomas se han replicado.
Los microtúbulos interpolares/polares son una clase de microtúbulos que también irradian desde el centrosoma durante la mitosis. Estos microtúbulos irradian hacia el huso mitótico, a diferencia de los microtúbulos astrales. Los microtúbulos interpolares son la subclase de microtúbulos más abundante y dinámica durante la mitosis. Alrededor del 95 por ciento de los microtúbulos del huso mitótico pueden caracterizarse como interpolares. Además, la vida media de estos microtúbulos es extremadamente corta, menos de un minuto. [63] Los microtúbulos interpolares que no se unen a los cinetocoros pueden ayudar en la congregación de cromosomas a través de la interacción lateral con los cinetocoros. [64]
Las fibras K/microtúbulos cinetocoros son la tercera subclase importante de microtúbulos mitóticos. Estos microtúbulos forman conexiones directas con los cinetocoros del huso mitótico. Cada fibra K está compuesta por 20 a 40 microtúbulos paralelos, formando un tubo fuerte que está unido por un extremo al centrosoma y por el otro al cinetocoro, ubicado en el centro de cada cromosoma. Dado que cada centrosoma tiene una fibra K que se conecta a cada par de cromosomas, los cromosomas quedan atados en el medio del huso mitótico por las fibras K. Las fibras K tienen una vida media mucho más larga que los microtúbulos interpolares, entre 4 y 8 minutos. [65] Durante el final de la mitosis, los microtúbulos que forman cada fibra K comienzan a disociarse, acortando así las fibras K. A medida que las fibras K se acortan, los cromosomas del par se separan justo antes de la citocinesis. Anteriormente, algunos investigadores creían que las fibras K se formaban en su extremo negativo a partir del centrosoma al igual que otros microtúbulos, sin embargo, una nueva investigación ha apuntado a un mecanismo diferente. En este nuevo mecanismo, las fibras K son estabilizadas inicialmente en su extremo positivo por los cinetocoros y crecen desde allí. El extremo negativo de estas fibras K finalmente se conecta a un microtúbulo interpolar existente y finalmente se conecta al centrosoma de esta manera. [66]
La mayoría de los microtúbulos que forman el huso mitótico se originan en el centrosoma. Originalmente se pensaba que todos estos microtúbulos se originaban en el centrosoma mediante un método llamado búsqueda y captura, descrito con más detalle en una sección anterior; sin embargo, una nueva investigación ha demostrado que existen medios adicionales de nucleación de microtúbulos durante la mitosis. Uno de los medios adicionales más importantes de nucleación de microtúbulos es la vía RAN-GTP. RAN-GTP se asocia con la cromatina durante la mitosis para crear un gradiente que permite la nucleación local de microtúbulos cerca de los cromosomas. Además, una segunda vía conocida como complejo augmin/HAUS (algunos organismos utilizan el complejo augmin más estudiado, mientras que otros, como los humanos, utilizan un complejo análogo llamado HAUS) actúa como un medio adicional de nucleación de microtúbulos en el huso mitótico. [66]
Los extremos positivos de los microtúbulos a menudo se localizan en estructuras particulares. En las células polarizadas en interfase , los microtúbulos están orientados desproporcionadamente desde el MTOC hacia el sitio de polaridad, como el borde de ataque de los fibroblastos migratorios . Se cree que esta configuración ayuda a transportar vesículas unidas a microtúbulos desde el Golgi hasta el sitio de polaridad.
La inestabilidad dinámica de los microtúbulos también es necesaria para la migración de la mayoría de las células de mamíferos que se arrastran. [67] Los microtúbulos dinámicos regulan los niveles de proteínas G clave como RhoA [68] y Rac1 , [69] que regulan la contractilidad celular y la propagación celular. También se requieren microtúbulos dinámicos para desencadenar el desmontaje de la adhesión focal , que es necesario para la migración. [70] Se ha descubierto que los microtúbulos actúan como "puntales" que contrarrestan las fuerzas contráctiles que se necesitan para la retracción del borde de salida durante el movimiento celular. Cuando los microtúbulos en el borde posterior de la célula son dinámicos, pueden remodelarse para permitir la retracción. Cuando se suprime la dinámica, los microtúbulos no pueden remodelarse y, por tanto, oponerse a las fuerzas contráctiles. [47] La morfología de las células con dinámica de microtúbulos suprimida indica que las células pueden extender el borde frontal (polarizado en la dirección del movimiento), pero tienen dificultades para retraer su borde posterior. [71] Por otro lado, las altas concentraciones de fármaco, o las mutaciones de los microtúbulos que despolimerizan los microtúbulos, pueden restaurar la migración celular, pero hay una pérdida de direccionalidad. Se puede concluir que los microtúbulos actúan tanto para restringir el movimiento celular como para establecer la direccionalidad.
Los microtúbulos tienen un papel estructural importante en los cilios y flagelos eucariotas . Los cilios y flagelos siempre se extienden directamente desde un MTOC, en este caso denominado cuerpo basal. La acción de las proteínas motoras dineína sobre las diversas hebras de microtúbulos que recorren un cilio o flagelo permite que el orgánulo se doble y genere fuerza para nadar, mover material extracelular y otras funciones. Los procariotas poseen proteínas similares a la tubulina, incluida FtsZ . Sin embargo, los flagelos procarióticos tienen una estructura completamente diferente a los flagelos eucariotas y no contienen estructuras basadas en microtúbulos.
El citoesqueleto formado por microtúbulos es esencial para el proceso morfogenético del desarrollo de un organismo . Por ejemplo, se requiere una red de microtúbulos polarizados dentro del ovocito de Drosophila melanogaster durante su embriogénesis para establecer el eje del óvulo. Las señales enviadas entre las células foliculares y el ovocito (como factores similares al factor de crecimiento epidérmico ) provocan la reorganización de los microtúbulos de modo que sus extremos (-) se ubican en la parte inferior del ovocito, polarizando la estructura y dando lugar a la aparición. de un eje anteroposterior. [72] Esta participación en la arquitectura del cuerpo también se observa en los mamíferos . [73]
Otra área donde los microtúbulos son esenciales es el desarrollo del sistema nervioso en los vertebrados superiores , donde la dinámica de la tubulina y la de las proteínas asociadas (como las proteínas asociadas a los microtúbulos) están finamente controladas durante el desarrollo del sistema nervioso . [74]
El citoesqueleto celular es un sistema dinámico que funciona en muchos niveles diferentes: además de darle a la célula una forma particular y apoyar el transporte de vesículas y orgánulos, también puede influir en la expresión genética . Los mecanismos de transducción de señales implicados en esta comunicación son poco conocidos. Sin embargo, se ha descrito la relación entre la despolimerización de los microtúbulos mediada por fármacos y la expresión específica de factores de transcripción , lo que ha proporcionado información sobre la expresión diferencial de los genes en función de la presencia de estos factores. [75] Esta comunicación entre el citoesqueleto y la regulación de la respuesta celular también está relacionada con la acción de los factores de crecimiento : por ejemplo, esta relación existe para el factor de crecimiento del tejido conectivo . [76]
