En biología celular , la nucleación de microtúbulos es el evento que inicia la formación de novo de microtúbulos (MT). Estos filamentos del citoesqueleto se forman típicamente a través de la polimerización de dímeros de α y β- tubulina , los bloques básicos de construcción del microtúbulo, que inicialmente interactúan para nuclear una semilla a partir de la cual se alarga el filamento. [1]
La nucleación de microtúbulos ocurre espontáneamente in vitro , con soluciones de tubulina purificada que dan lugar a polímeros de longitud completa. Los dímeros de tubulina que forman los polímeros tienen una capacidad intrínseca de autoagregarse y ensamblarse en tubos cilíndricos, siempre que haya un suministro adecuado de GTP. Sin embargo, las barreras cinéticas de dicho proceso significan que la velocidad a la que los microtúbulos se nuclean espontáneamente es relativamente baja. [2]
In vivo , las células sortean esta barrera cinética utilizando diversas proteínas para ayudar a la nucleación de los microtúbulos. La vía principal por la que se ayuda a la nucleación de los microtúbulos requiere la acción de un tercer tipo de tubulina, la γ-tubulina , que es distinta de las subunidades α y β que componen los propios microtúbulos. La γ-tubulina se combina con varias otras proteínas asociadas para formar una estructura cónica conocida como complejo de anillo de γ-tubulina (γ-TuRC). Este complejo, con su simetría de 13 pliegues, actúa como un andamio o plantilla para los dímeros de tubulina α/β durante el proceso de nucleación, acelerando el ensamblaje del anillo de 13 protofilamentos que componen el microtúbulo en crecimiento. [3] La γ-TuRC también actúa como una tapa del extremo (−) mientras el microtúbulo continúa creciendo desde su extremo (+). Esta tapa proporciona estabilidad y protección al extremo (-) del microtúbulo contra las enzimas que podrían provocar su despolimerización, al tiempo que inhibe el crecimiento del extremo (-).
El γ-TuRC se encuentra típicamente como la unidad funcional central en un centro organizador de microtúbulos (MTOC), como el centrosoma en algunas células animales o los cuerpos polares del huso en hongos y algas . Los γ-TuRC en el centrosoma nuclean una matriz de microtúbulos en interfase , que extienden sus extremos (+) radialmente hacia afuera en el citoplasma hacia la periferia de la célula. Entre sus otras funciones, esta matriz radial es utilizada por las proteínas motoras basadas en microtúbulos para transportar varias cargas, como vesículas, a la membrana plasmática.
El centrosoma es el MTOC más común para las células multipotentes en animales, y los tejidos diferenciados utilizan una amplia variedad de MTOC no centrosomales.
En las células animales que experimentan mitosis , se genera una disposición radial similar a partir de dos MTOC llamados polos del huso , que producen el huso mitótico bipolar. Sin embargo, algunas células, como las de las plantas superiores y los ovocitos, carecen de MTOC distintos y los microtúbulos se nuclean a través de una vía no centrosómica. Otras células, como las neuronas, las células del músculo esquelético y las células epiteliales, que sí tienen MTOC, poseen conjuntos de microtúbulos no asociados con un centrosoma. [4] Estos conjuntos de microtúbulos no centrosómicos pueden adoptar varias geometrías, como las que dan lugar a la forma larga y delgada de los miotubos , las protuberancias finas de un axón o los dominios fuertemente polarizados de una célula epitelial .
En las células epiteliales, CAMSAP3 actúa como MTOC no centrosomal y se localiza en la membrana apical de la célula. [5] Los microtúbulos crecen desde este dominio en líneas paralelas, lo que le da a la célula su forma rectangular.
Las células tempranas del embrión de ratón preimplantacional utilizan un MTOC no centrosómico único, en forma de un puente de microtúbulos en interfase que une a las células hermanas. Este puente en interfase organiza los microtúbulos de ambas células y utiliza CAMSAP3 para unir los extremos negativos de los microtúbulos. [6]
En la formación cortical de las plantas, así como en los axones de las neuronas, se ha teorizado que los microtúbulos se nuclean a partir de microtúbulos existentes mediante la acción de enzimas de corte como la katanina . [7] De manera similar a la acción de la cofilina en la generación de formaciones de filamentos de actina, la separación de microtúbulos por parte de las MAP crea nuevos extremos positivos (+) a partir de los cuales pueden crecer los microtúbulos. De esta manera, se pueden generar formaciones dinámicas de microtúbulos sin la ayuda de la γ-TuRC.
Estudios realizados con extractos de huevos de Xenopus han identificado una nueva forma de nucleación de microtúbulos que genera matrices de ramificación en forma de abanico, en las que los nuevos microtúbulos crecen en un ángulo con respecto a los microtúbulos más antiguos. Estos microtúbulos ramificados mantienen la misma polaridad que sus microtúbulos madre, y su ensamblaje implica la unión de γ-TuRC no centrosomales a los lados de los microtúbulos existentes a través del complejo augmina . Este método de nucleación de microtúbulos dependiente de microtúbulos conduce a una rápida amplificación de la densidad de microtúbulos. [8]
La nucleación de microtúbulos ramificados se ha observado en numerosos organismos tanto del reino vegetal como del animal. Mediante el uso de la microscopía TIRF , los investigadores han observado visualmente la nucleación de microtúbulos ramificados en células de Drosophila durante la formación del huso mitótico. [9] Se han identificado cinco proteínas en Drosophila (DGT2 a DGT6) que son necesarias y responsables de facilitar la localización de la γ-tubulina en los MT existentes y no están asociadas con su localización en el centrosoma. [10]
Aunque la γ-TuRC es la proteína principal utilizada para nuclear los microtúbulos, no es la única proteína que actúa como factor de nucleación. Varias otras MAP ayudan a la γ-TuRC con el proceso de nucleación, mientras que otras nuclean los microtúbulos independientemente de la γ-TuRC. En la nucleación de ramificación descrita anteriormente, la adición de TPX2 a los extractos de huevo condujo a un aumento dramático en los eventos de nucleación, mientras que en otros estudios, la proteína XMAP215 , in vitro , nucleó ásteres de microtúbulos con su agotamiento in vivo reduciendo el potencial de nucleación de los centrosomas. [11] La proteína de unión a microtúbulos doublecortin , in vitro , nuclea microtúbulos, actuando al unirse al lado en lugar del extremo de los microtúbulos en crecimiento. [12] Por lo tanto, puede haber una familia de proteínas de factor de nucleación en las células que utilizan una variedad de mecanismos para reducir el costo energético de nucleación de microtúbulos. Estudios recientes han proporcionado evidencia hacia el concepto de que la promoción de la nucleación de microtúbulos es posible con una combinación de dímeros de α y β- tubulina y el MAP TPX2 mencionado anteriormente , incluso en ausencia de γ-TuRC. [13]
Varias proteínas participan en el formateo del γ-TuRC y en el control temporal y espacial de la nucleación de los microtúbulos. Entre ellas se incluyen, por ejemplo, las proteínas superenrolladas con funciones estructurales y las proteínas reguladoras, como los componentes del ciclo Ran . NEDD1 recluta al γ-TuRC al centrosoma uniéndose a la γ-tubulina. [14] [15]