Meeliften aan het eind van microbuisjes
Microtubuli vormen samen met andere eiwitfilamenten de dynamische structuur die stevigheid geeft aan de cel: het cytoskelet. Deze microbuisjes groeien en krimpen voortdurend en hebben in elke fase van de levenscyclus van een cel een andere vorm. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica en het European Molecular Biology Laboratory in Duitsland hebben een belangrijke stap gezet op weg naar begrip van de organisatie van microtubuli. Voor het eerst hebben zij aangetoond hoe eiwitten die de structuur van microtubuli beïnvloeden, specifiek binden aan microtubuli in de cel. De onderzoekers hebben hun resultaten op 2 december gepubliceerd op de website van Nature. Ze verschijnen op 13 december in druk.
Microtubuli zijn holle microbuisjes met twee verschillende uiteinden. Ze zijn opgebouwd uit tubuline-eiwitten. Samen met andere eiwitfilamenten vormen ze de structuur die stevigheid geeft aan de cel: het cytoskelet. Het cytoskelet is geen statische structuur zoals ons eigen skelet maar een dynamische. Dit betekent dat de opbouw van het cytoskelet steeds verandert. De voortdurende groei en krimp van de microtubuli veroorzaakt deze dynamiek. Dit noemen we dynamische instabiliteit. Daarnaast zijn de microtubuli in de verschillende fases van de levenscyclus van een cel anders georganiseerd. Zo zijn de microtubuli in de fase voor celdeling lang en groeien ze vanaf de kern naar de rand van de cel. Tijdens de fase van celdeling vormen de microtubuli een spoelstructuur, om het DNA over de twee nieuwe cellen te verdelen.
Hoe is het nu mogelijk dat microtubuli in de opeenvolgende fases van de celcyclus zo verschillend georganiseerd zijn? Uit voorgaand onderzoek is gebleken dat er eiwitten zijn die de dynamica van microtubuli kunnen veranderen. Veel van deze eiwitten blijken heel specifiek één uiteinde van de microtubule, het zogenaamde plus-eind, te herkennen en te manipuleren. Onderzoekers noemen deze eiwitten plus-tips. De laatste jaren hebben biologen enorm veel plus-tips geïdentificeerd. Hoe deze eiwitten het plus-eind herkennen is nu de grote vraag. Het is namelijk bijna onmogelijk om dit soort basismechanismen binnen de overweldigende complexiteit van de cel te bestuderen.
Geïsoleerd plus-eind-bindend systeem
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam en het European Molecular Biology Laboratory in Duitsland is het nu voor het eerst gelukt een zo simpel mogelijk systeem dat aan het plus-eind bindt te isoleren. Van drie gisteiwitten, mal3, tea2 en tip1, hebben wetenschappers in eerder onderzoek aangetoond dat ze in gistcellen aan de plus-einden van microtubuli binden. De onderzoekers hebben deze drie gisteiwitten geïsoleerd om hun specifieke interactie met microtubuli te bestuderen. Door de gisteiwitten een groen label te geven en de microtubuli een rood, kunnen de onderzoekers met fluorescente microscopie beide tegelijkertijd zichtbaar maken.
In het experiment groeien en krimpen microtubuli vanuit 'zaadjes', korte stukjes stabiele microtubule, die op een glasplaatje zijn geplakt (figuur 1). Vervolgens hebben de onderzoekers systematisch individuele gisteiwitten en combinaties van de eiwitten toegevoegd. Verrassend genoeg bleek dat de drie eiwitten elkaar nodig hebben om het plus-eind van de microtubule te vinden. Mal3 kan zonder hulp van enige andere eiwitten aan beide uiteinden van microtubuli binden, maar is niet in staat het plus-eind te herkennen. Eiwitten tea2 en tip1, die samen een redelijk stabiel complex vormen, binden alleen in combinatie met mal3 en herkennen dan specifiek het plus-eind (figuur 2).
Plus-eind herkennen
Vervolgens was de vraag hoe het complex van het motoreiwit tea2 met zijn lading tip1 het plus-eind herkent (figuur 3). Biochemische experimenten tonen aan dat mal3, tea2 en tip1 in oplossing een complex vormen. De onderzoekers hebben experimenten gedaan waarin ze met fluorescentie de individuele eiwitten konden volgen. Hieruit bleek dat mal3 het complex van tea2 en tip1 aan de microtubule bindt. Als het complex is gebonden begint het met mal3 naar het plus-eind te lopen. Mal3 valt al snel van het complex af en is dus niet noodzakelijk voor het lopen van tea2 of het transport van tip1. Tip1 is echter wel nodig voor de plus-eind binding van tea2 en vice versa. Een andere voorwaarde voor binding is dat de microtubule moet groeien: tea2 en tip1 lokaliseren niet aan het plus-eind van krimpende of stabiele microtubuli.
De onderzoekers kunnen de techniek nu gebruiken om te onderzoeken hoe deze eiwitten de dynamiek van microtubuli beïnvloeden. Ze kunnen deze techniek ook gebruiken om andere eiwitten die aan het plus-eind binden te bestuderen. Het gaat dan bijvoorbeeld om eiwitten die zich in organismes bevinden die evolutionair dichter bij de mens staan dan gist.
Referentie:
Het artikel is getiteld Reconstitution of a microtubule plus-end tracking system in vitro en de auteurs zijn: Peter Bieling1,*, Liedewij Laan2,*, Henry Schek1, E. Laura Munteanu2, Linda Sandblad1, Marileen Dogterom2, Damian Brunner1, Thomas Surrey1
1 EMBL, Heidelberg, Dresden
2 AMOLF, Amsterdam Netherlands
Meer informatie kunt u verkrijgen bij Liedewij Laan, FOM-Instituut AMOLF, Amsterdam, telefoon (020) 608 13 93 of (020) 608 12 34.