Mikrotubuli er cellulære strukturer som består av proteinpolymerer , 25 nm i ytre diameter og ca. 12 nm i indre diameter, med lengder fra noen få nanometer til mikrometer , [ 1 ] som stammer fra Microtubule Organizing Center (MTOC). på engelsk) og som strekker seg gjennom hele cytoplasmaet . De finnes med forskjellige egenskaper i eukaryote og prokaryote celler . De dannes ved polymerisering av en dimer av to kuleformede proteiner, alfa-tubulin og beta-tubulin . [ 2 ]
Mikrotubuli er involvert i ulike cellulære prosesser som involverer forskyvning av sekretoriske vesikler , bevegelse av organeller , intracellulær transport av stoffer, samt i celledeling ( mitose og meiose ), og som sammen med mikrofilamenter og mellomfilamenter danner cytoskjelettet . I tillegg utgjør de den indre strukturen til flimmerhårene og flagellene .
Mikrotubuli kjernener og organiserer seg ved organiseringssentre for mikrotubuli (MTOC), slik som sentrosomet eller basallegemene til flimmerhår og flageller . Disse organisasjonssentrene kan ha sentrioler eller ikke .
I tillegg til å samarbeide i cytoskjelettet, er mikrotubuli involvert i vesikkeltransport (se dynein eller kinesin ), i dannelsen av den mitotiske spindelen som eukaryote celler skiller ut kromatidene sine gjennom under celledeling , og i bevegelsen av flimmerhår og flageller.
Mikrotubuli er heteropolymerer av α- og β -tubulin , som danner dimerer, som er deres strukturelle enhet. [ 3 ] Dimerene polymeriserer til 13 protofilamenter , som deretter aggregerer sideveis for å danne hule sylindriske strukturer. For å polymerisere er tilstedeværelsen av dimerer nødvendig ved en viss minimumskonsentrasjon kalt kritisk konsentrasjon, selv om prosessen akselereres ved tilsetning av kjerner, som er forlengede.
En viktig egenskap ved mikrotubuli er deres polaritet . Tubulin polymeriserer ved å tilsette dimerer til en eller begge ender av mikrotubuli. Tilsetningen skjer ved hode-til-hale forening, i dannelsen av protofilamenter. Dermed dannes skjeve rader av α- og β-tubulinmonomerer i veggen, noe som forårsaker global polaritet til mikrotubuli. Fordi alle protofilamentene til en mikrotubuli har samme orientering, er den ene enden sammensatt av en α-tubulinring (referert til som - enden) og den motsatte enden er sammensatt av en β-tubulinring (referert til som + plussenden ). [ 4 ]
Bakterielle mikrotubuli er mindre i diameter enn eukaryote mikrotubuli, men har samme grunnleggende struktur. Hos bakterier danner tubulinhomologer, bakteriell tubulin A (BtubA) og bakteriell tubulin B (BtubB), også mikrotubuli. Bakterielle mikrotubuli viser protofilamenter som er ordnet og viser eukaryote-lignende interaksjoner. Bakterielle mikrotubuli er sammensatt av bare fem protofilamenter, i stedet for de 13 som finnes i eukaryoter. [ 5 ] [ 6 ]
Mikrotubuluspolymerisasjon kjernener seg ved et organiseringssenter for mikrotubuli . I dem er det en type tubulin, kalt γ-tubulin, som virker ved å nukleere tilsetning av nye dimerer, med inngrep fra andre regulatoriske proteiner. Således vurderes eksistensen av et y-tubulin ringformet kompleks, alltid lokalisert ved -enden av mikrotubuli. [ 7 ]
Under polymerisering er begge tubulinenhetene bundet til et guanosintrifosfatmolekyl . [ 3 ] GTP spiller en strukturell rolle i α-tubulin, men hydrolyseres til BNP i β-tubulin. Denne hydrolysen modulerer tilsetningen av nye dimerer. Dermed hydrolyseres GTP etter et tidsrom, noe som gjør at hvis tilsetningen av dimerer er rask, dannes en kappe av β-tubulin bundet til GTP i (+) enden, mens, hvis den er sakte, det som eksponeres er tubulin bundet til BNP. Vel, denne bindingen til et eller annet nukleotid er det som bestemmer hastigheten på polymerisering eller depolymerisering av mikrotubuli. Dermed favoriserer en cap på (+) enden med GTP forlengelse, mens en med BNP favoriserer depolymerisering. [ 8 ]
.
Nå avhenger denne prosessen, med tilsetning eller ikke av nye monomerer, av konsentrasjonen av αβ-tubulin-dimerer i løsningen; hvis konsentrasjonen er større enn en parameter kjent som den kritiske konsentrasjonen (Cc) (som er dissosiasjonslikevektskonstanten til dimerene ved enden av mikrotubuli), vokser mikrotubuli, og hvis den er mindre, krymper den. Og avhengig av tilstedeværelsen av et GTP- eller BNP-tak, er Cc-en forskjellig, noe som definerer at (+) og (-)-endene har forskjellige verdier, noe som igjen resulterer i at den dynamiske aktiviteten til (+)-enden er høyere pga. for å senke spesifikke Cc. Mikrotubuli kan derfor vokse fra begge ender eller fra bare én, avhengig av konsentrasjonen av αβ-tubulin dimerer. Samspillet mellom (-) enden med MTOC reduserer aktiviteten betydelig.
Det finnes andre proteiner som kalles MAP (Microtubule Associated Protein) eller mikrotubule-assosierte proteiner. De antas å hjelpe til med å sette sammen dimerer for å danne mikrotubuli.
MAP-er er klassifisert etter molekylvekt i to grupper:
Også kalt τ(tau) proteiner. De dekker mikrotubuli og danner koblinger med tilstøtende mikrotubuli.
4 forskjellige typer MAP er kjent: MAP-1, MAP-2, MAP-3, MAP-4 MAP-1 omfatter minst 3 forskjellige proteiner: A, B og C. C er viktig i retrograd transport av vesikler og er kalt cytoplasmatisk dynein . MAP-2 finnes i dendrittene og cellelegemene til nevroner, hvor de assosieres med andre filamenter. MAP-4 finnes i de fleste celler og stabiliserer mikrotubuli.
Globalt sammendrag av disse egenskapene:
Disse egenskapene stammer fra eksistensen av en dynamisk ustabilitet av mikrotubuli, som består i det faktum at i samme celle depolymeriserer noen mikrotubuli (katastrofe) og andre forlenges (redning).
Det er proteiner som utnytter ATP-hydrolyse for å generere mekanisk energi og flytte stoffer på mikrotubuli. Disse er dynein , en retrograd transportør, og kinesin , en anterograd transportør.
Det finnes et stort antall medikamenter som er i stand til å binde seg til tubulin, modulere dets aktiveringstilstand og dermed forstyrre mikrotubuli-dynamikken ved intracellulære konsentrasjoner som er mye lavere enn tubulin. På denne måten stopper cellene sin cellesyklus og kan føre til programmert celledød eller apoptose . Forbindelsene som modulerer tubulinaktiviteten kan generelt deles inn i to store grupper: For det første er det hemmere av polymeriseringen, som kolkisin [ 9 ] og vinkristin , [ 10 ] som binder seg til det, og hindrer det i å danne mikrotubuli. . På den annen side er det mikrotubuli-stabiliserende midler (MSA), som paklitaksel (kjent kommersielt som taxol ) [ 11 ] og docetaxel , [ 12 ] som binder seg fortrinnsvis til sammensatt tubulin, og minimerer dissosiasjon av tubulin. tubulin-BNP fra endene av mikrotubuli og induserer samlingen av normalt inaktivt tubulin-BNP.
Mikrotubulus polymerisasjonsmodulerende legemidler har vært mye brukt i antitumorterapi . Siden det er avgjørende for mitose og stoppe det, er det mulig å virke mot svulsten, men de vevene i rask spredning ( benmarg , tarmslimhinne...) påvirkes også. Den kliniske suksessen til paklitaksel og docetaxel har ført til søket etter nye forbindelser med samme virkningsmekanisme og til oppdagelsen de siste årene av et stort antall mikrotubuli-stabiliserende midler med minst to forskjellige bindingssteder.
I tillegg til deres strukturelle rolle som en komponent av cytoskjelettet (sammen med aktin og mellomfilamenter ), er mikrotubuli involvert i biologiske prosesser.
Mikrotubulus cytoskjelettet er essensielt under de morfogenetiske prosessene for utvikling av organismer. For eksempel, under embryogenese hos fruktflua , Drosophila melanogaster , kreves et intakt og polarisert mikrotubulinettverk i oocytten for å etablere eggaksene; På denne måten forårsaker signalene mellom follikkelcellene og de til oocytten (som faktorer som ligner på TGF-alfa ) reorganisering av mikrotubuli, og plasserer minusenden i den fremre sonen av oocytten, noe som polariserer strukturen og fører til til utseendet til en fremre-dorsal akse. [ 13 ] Dette engasjementet i kroppsarkitektur forekommer også hos pattedyr . [ 14 ]
Et annet felt der mikrotubuli er essensielt er dannelsen av nervesystemet hos høyere virveldyr ; i dem er dynamikken til tubulin og assosierte proteiner (som MAPs) nøyaktig kontrollert for å utvikle hjernens nevrale basis . [ 15 ]
Det cellulære cytoskjelettet er et dynamisk element som virker på mange nivåer i cellen: i tillegg til å gi det en viss form og strukturere trafikken av vesikler og organeller, kan det påvirke genuttrykk . Imidlertid er de cellulære banene (det vil si signaltransduksjonsmekanismene ) involvert i denne kommunikasjonen dårlig forstått. Imidlertid er forholdet mellom medikamentmediert mikrotubuli-depolymerisering og det spesifikke uttrykket av transkripsjonsfaktorer og derfor det differensielle uttrykket av gener avhengig av tilstedeværelsen av disse faktorene beskrevet. [ 16 ] Denne kommunikasjonen mellom cytoskjelettet og reguleringen av cellulær respons er også relatert til generering av vekstfaktorer : for eksempel eksisterer dette forholdet for bindevevsvekstfaktor . [ 17 ]
I kreftterapi er dette faktum av vital betydning siden antitumormedisinen paklitaksel har mikrotubulus cytoskjelettet som sitt mål, og det er nettopp interaksjonen mellom sistnevnte med elementer som modulerer cellesyklusen som forårsaker, i nærvær av antitumoren, en serie av cellulære feil i kreftceller som fører til deres programmerte celledød eller apoptose . [ 18 ]