Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato

Microtubuli


Molecola del Mese di Luglio 2014
Parole chiave: tubulina, farmaci antitumorali, paclitassolo, colchicina, vinblastina, divisione cellulare, citoscheletro


Introduzione

I microtubuli sono le ferrovie della cellula. Sono costituiti da grossi e robusti filamenti che attraversano il citoplasma e hanno due funzioni: danno stabilità strutturale alla cellula e costituiscono la via lungo la quale si muovono le proteine motrici chinesina e dineina. Le proteine motrici trascinano ogni tipo di carico attraverso la cellula, dalle piccole vescicole ai grandi mitocondri. Hanno anche un ruolo importante nel processo di divisione cellulare separando i cromosomi dopo la duplicazione e trasportandoli ai capi opposti della cellula per generare le due cellule figlie.



Tubuli di Tubulina

I microtubuli sono formati da un gran numero di unità cilindriche della proteina tubulina. La tubulina esiste in due forme simili chiamate tubulina alfa e beta che si legano strettamente insieme per formare un complesso dimero. Questi poi si impilano uno sull’altro per formare il tubo cilindrico. La prima struttura di tubulina (PDB 1tub, mostrata qui sotto, alfa a sinistra e beta a destra) è stata ottenuta studiando dei fogli di microtubuli con la diffrazione elettronica.
La struttura mostrata qui a destra (PDB 3j2u) è un mosaico ricostruito al computer ottenuto assemblando strutture di tubulina alfa e beta e usando come modello una struttura a bassa risoluzione, ottenuta con la microscopia elettronica, di un cristallo di tubulina complessata con chinesina. La struttura mostrata qui rappresenta solo una piccola porzione del filamento, nella cellula i microtubuli sono molto più lunghi e sono costituiti da migliaia di subunità di tubulina.





Instabilità Dinamica
I microtubuli vengono continuamente allungati e accorciati in un processo chiamato di instabilità dinamica. Questo è controllato da una molecola di GTP legata alla tubulina beta.
I dimeri di tubulina liberi legano GTP sia sulla catena alfa che sulla beta e, grazie a questo, formano un complesso stabile quando si sommano ad un filamento in crescita.
Poco dopo, però, il GTP della catena beta perde un fosfato e si trasforma in GDP.
Nella figura qui a lato (tratta da PDB 1ffx) la tubulina alfa (blu) lega GTP (con tre fosfati ben visibili in arancione e rosso), mentre la tubulina beta (ciano) lega GDP (con due fosfati).
La tubulina con GDP sulla catena beta è legata più debolmente al filamento e se si viene a trovare alla fine del microtubulo si stacca e comincia un processo di accorciamento.
Se però, nel punto che si sta accorciando, si lega un nuovo dimero di tubulina, il processo si arresta perchè questo possiede GTP sulla catena beta (non ancora degradato a GDP) e il microtubulo ricomincia ad allungarsi.

Aiutare la Tubulina
Una grande varietà di proteine aiuta i microtubuli a compiere le loro molte funzioni, vi sono proteine leganti, iniziatrici e regolatrici. La proteina mostrata qui a destra in magenta è la statmina, che destabilizza i microtubuli (codice PDB 1ffx). Si lega a due dimeri di tubulina e agisce bloccandoli e impedendo loro di sommarsi, oppure stimolando il loro distacco da un microtubulo che deve accorciarsi. La statmina si è rivelata molto utile ai ricercatori. La tubulina era molto difficile da studiare con la cristallografia perchè tendeva ad aggregarsi in microtubuli piuttosto che formare cristalli. Il complesso tubulina-statmina, invece, può essere cristallizzato facilmente ed usato per determinare la struttura molecolare della tubulina.

Esplorando la Struttura
Dato che svolgono un ruolo così importante nella divisione cellulare, i microtubuli sono il bersaglio di numerosi veleni e anche di molti farmaci.
Alcuni farmaci antitumorali arrestano la rapida crescita delle cellule tumorali bloccando la normale dinamica dei microtubuli. Impediscono che si formi il fuso mitotico e quindi rendono impossibile la duplicazione della cellula.
Qui sono mostrate tre molecole, tutte di origine vegetale, che bloccano l'azione dei microtubuli:
colchicina
(ottenuta dal colchico) e vinblastina (ottenuta dalla pervinca) bloccano la crescita dei microtubuli (codice PDB 1z2b);
paclitassolo (ottenuto dal tasso) impedisce l'accorciamento dei microtubuli (codice PDB 1jff).













Nella figura qui sotto (codice PDB 1z2b) si vedono due dimeri consecutivi di tubulina alfa-beta (blu-ciano) legati alla proteina statmina (magenta). Vi sono anche la colchicina (gialla) e la vinblastina (rossa) legate tra una catena di tubulina e l'altra. Questa struttura ci rivela come queste due molecole ostacolano la crescita dei microtubuli.
La colchicina (gialla) interferisce col legame tra tubulina alfa (blu) e beta (ciano) all'interno del dimero avvicinandosi molto al GTP della catena alfa. La vinblastina (rossa), invece, si inserisce nel legame tra due dimeri.

Nella prossima figura (codice PDB 1jff) si vede invece il paclitassolo (magenta) che si lega all'interno della catena di beta tubulina (ciano). Questo sito di legame suggerisce che il paclitassolo impedisca l'idrolisi del GTP a GDP rendendo così sempre forte il legame tra i dimeri di tubulina e impedendo l'accorciamento dei microtubuli che quindi possono solo crescere.



Spunti per Ulteriori Esplorazioni
L'uso della statmina ha permesso di determinare la struttura di molti inibitori legati alla tubulina. Usate il "Ligand Explorer" nel sito PDB per eplorare i diversi modi in cui questi inibitori sono legati.

Bibliografia

1 - 3j2u
: A. B. Asenjo, C. Chatterjee, D. Tan, V. Depaoli, W. J. Rice, R. Diaz-Avalos, M. Silvestry & H. Sosa (2013) Structural model for tubulin recognition and deformation by kinesin-13 microtubule depolymerases. Cell Reports 3, 759-768.

2 - L. A. Amos (2011) What tubulin drugs tell us about microtubule structure and dynamics. Seminars in Cell & Developmental Biology 22, 916-926.

3 - R. H. Wade (2009) On and around microtubules: an overview. Molecular Biotechnology 43, 177-191.

4 - 1z2b: B. Gigante, C. Wang, R. B. Ravelli, F. Roussi, M. O. Steinmetz, P. A. Curmi, A. Sobel & M. Knossow (2005) Structural basis for the regulation of tubulin by vinblastine. Nature 435, 519-522.

5 - 1jff: J. Lowe, H. Li, K. H. Downing & E. Nogales (2001) Refined structure of alpha beta-tubulin at 3.5 A resolution. Journal of Molecular Biology 313, 1045-1057.

6 - 1ffx: B. Gigant, P. A. Curmi, C. Martin-Barbey, E. Charbaut, S. Lachkar, L. Lebeau, S. Siavoshian, A. Sobel & M. Knossow (2000) The 4 A structure of a tubulin:stathmin-like domain complex. Cell 102, 809-816.

Codici PDB Correlati
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