A living cell is a bustling metropolis, with countless molecules and proteins navigating crowded spaces in every direction. Cell division is a grand event which completely transforms the landscape. The cell starts behaving like the host of an international competition, reconfiguring entire streets, relocating buildings and rerouting its transportation systems.

For decades, researchers have been captivated by the cell's ability to organise such a dramatic transformation. Central to the process is the microtubule cytoskeleton, a network of fibres which provides structural support and facilitates movement within the cell, ensuring that chromosomes are correctly segregated. Errors in cell division can lead to a wide array of diseases and disorders, including cancer or genetic disorders.

Yet, despite its critical importance, the exact mechanisms governing how cells reorganise their insides during cell division have remained a mystery. How does a cell know when and how to rearrange its internal scaffolding? What are the molecular signals governing these changes? Who are the key players conducting it all?

According to new research, some of the changes come down to a surprisingly simple and elegant system – the flip of a molecular switch. The findings are published in Nature Communications by researchers at the Centre for Genomic Regulation in Barcelona and the Max Planck Institute of Molecular Physiology in Dortmund.

At the heart of the discovery is the protein PRC1. During cell division, PRC1 plays a key role in organising cell division. It crosslinks microtubules, helping to form a structure in the crucial region where microtubules overlap and chromosomes are separated.

But PRC1 doesn't act alone. Its activity is tightly controlled to ensure that microtubules assemble at the right time and place. The protein is controlled through a process called phosphorylation, where enzymes add small chemical tags to specific regions on its surface. These molecular tags can turn PRC1's activity up or down.

"We discovered that manipulating the phosphorylation state of PRC1 can induce large-scale transitions between different states of cytoskeleton organization that are needed for cell division. The changes take only a few minutes to complete", explains Dr. Wei Ming Lim, first author of the study and postdoctoral researcher at the CRG.

The researchers made this discovery by developing a new laboratory system where they can precisely control and even reverse the transitions of the cytoskeletal structures associated with different stages of cell division outside of a living system. The new technology can help the researchers study the fundamental mechanisms governing cell division with greater control and detail than previously possible, and in real time.

“We can now create and observe movies of a re-organizing cytoskeleton under the microscope, while fast forwarding and rewinding as we please. This is an important milestone in the field,” says ICREA Research Professor Thomas Surrey, senior author of the study and researcher at the Centre for Genomic Regulation in Barcelona.

The new system can eventually shed light on potential therapeutic strategies for conditions where cell division goes wrong, like cancer. However, for Surrey, the implications of the study are how it inspires a sense of wonder at the sophistication of the natural world. “Cells are incredibly small, yet within them exists a highly organised and very complex system that operates with great precision. With discoveries like these, that complexity is beginning to unravel,” he concludes.

EN CASTELLANO

Cómo remodelar una célula en división en cuestión de minutos 

Una célula es una metrópolis bulliciosa, con innumerables moléculas y proteínas que navegan por espacios abarrotados en todas las direcciones. La división celular es un gran acontecimiento que transforma por completo el paisaje. La célula comienza a comportarse como la anfitriona de una competición o evento internacional, reconfigurando calles enteras, reubicando edificios y redirigiendo sus sistemas de transporte. 
 
Durante décadas, la ciencia ha intentado explicar la habilidad de la célula para llevar a cabo una transformación tan dramática. Un elemento central del proceso es el citoesqueleto de los microtúbulos, una red de fibras que proporciona soporte estructural y facilita el movimiento dentro de la célula, asegurando que los cromosomas se segregan correctamente. Los errores en la división celular pueden provocar una amplia gama de enfermedades y trastornos, como el cáncer o los trastornos genéticos. 
 
Sin embargo, a pesar de su extremada relevancia, los mecanismos exactos que regulan la forma en que las células reorganizan su interior durante la división celular siguen siendo un misterio. ¿Cómo sabe una célula cuándo y cómo reorganizar su andamiaje interno? ¿Cuáles son las señales moleculares que gobiernan estos cambios? ¿Quiénes son los actores clave que se encargan de todo? 
 
Según una nueva investigación, algunos de los cambios se reducen a un sistema sorprendentemente simple y elegante: el accionamiento de un interruptor molecular. Los hallazgos se publican en Nature Communications por parte de un equipo del Centro de Regulación Genómica, en Barcelona, y del Instituto Max Planck de Fisiología Molecular, en Dortmund. 
 
El protagonista del descubrimiento es la proteína PRC1. Durante la división celular, PRC1 desempeña un papel clave en la organización de la división celular. Produce la reticulación de los microtúbulos, ayudando a formar una estructura en la región crucial donde los microtúbulos se superponen y los cromosomas se separan. 
 
Pero PRC1 no actúa sola. Su actividad está estrictamente controlada para garantizar que los microtúbulos se ensamblen en el momento y lugar adecuados. La proteína se controla a través de un proceso llamado fosforilación, en el que las enzimas añaden pequeñas etiquetas químicas a regiones específicas de su superficie. Estas etiquetas moleculares pueden aumentar o disminuir la actividad de PRC1. 
 
"Descubrimos que la manipulación del estado de fosforilación de PRC1 puede inducir transiciones a gran escala entre diferentes estados de organización del citoesqueleto que son necesarios para la división celular. Los cambios tardan solo unos minutos en completarse", explica el Dr. Wei Ming Lim, primer autor del estudio e investigador postdoctoral en el CRG. 
 
El equipo realizó este descubrimiento mediante el desarrollo de un nuevo sistema experimental a través del cual pueden controlar con precisión e incluso revertir las transiciones de las estructuras del citoesqueleto asociadas con diferentes etapas de la división celular fuera de un sistema vivo. La nueva tecnología puede ayudar a estudiar los mecanismos fundamentales que gobiernan la división celular con mayor control y detalle de lo que antes era posible, y en tiempo real. 
 
"Ahora podemos crear y observar filmaciones de un citoesqueleto en reorganización bajo el microscopio, mientras avanzamos y rebobinamos rápidamente a nuestro antojo. Este es un hito importante en este campo", afirma el Profesor de Investigación ICREA Thomas Surrey, autor principal del estudio e investigador del Centro de Regulación Genómica, en Barcelona. 
 
Con el tiempo, el nuevo sistema puede arrojar luz sobre posibles estrategias terapéuticas para afecciones en las que la división celular no llega a buen puerto, como el cáncer. Sin embargo, para Surrey, las implicaciones del estudio son la forma en que este inspira una sensación de asombro ante la sofisticación del mundo natural.  
 
"Las células son increíblemente pequeñas, pero en su interior existe un sistema altamente organizado y muy complejo que opera con gran precisión. Con descubrimientos como estos, esa complejidad está empezando a desentrañarse", concluye.

EN CATALÀ

Com remodelar una cèl·lula en divisió en qüestió de minuts 

Una cèl·lula és una metròpolis bulliciosa, amb incomptables molècules i proteïnes que naveguen per espais plens de gom a gom en totes les direccions. La divisió cel·lular és un gran esdeveniment que transforma per complet el paisatge. La cèl·lula comença a comportar-se com l'amfitriona d'una competició o esdeveniment internacional, reconfigurant carrers sencers, reubicant edificis i redirigint els seus sistemes de transport. 
 
Durant dècades, la ciència ha intentat explicar l'habilitat de la cèl·lula per dur a terme una transformació tan dramàtica. Un element central del procés és el citoesquelet dels microtúbuls, una xarxa de fibres que proporciona suport estructural i facilita el moviment dins de la cèl·lula, assegurant que els cromosomes se segreguen correctament. Els errors en la divisió cel·lular poden provocar una àmplia gamma de malalties i trastorns, com el càncer o els trastorns genètics. 
 
No obstant això, i malgrat la seva extremada rellevància, els mecanismes exactes que regulen la forma en què les cèl·lules reorganitzen el seu interior durant la divisió cel·lular continuen essent un misteri. Com sap una cèl·lula quan i com reorganitzar la seva bastida interna? Quins són els senyals moleculars que governen aquests canvis? Qui són els actors clau que s’encarreguen de tot? 
 
Segons una nova investigació, alguns dels canvis es redueixen a un sistema sorprenentment simple i elegant: l'accionament d'un interruptor molecular. Les troballes es publiquen a Nature Communications per part d’un equip del Centre de Regulació Genòmica, a  Barcelona, i de l'Institut Max Planck de Fisiologia Molecular, a Dortmund. 
 
El protagonista del descobriment és la proteïna PRC1. Durant la divisió cel·lular, PRC1 exerceix un paper clau en l'organització de la divisió cel·lular. Produeix la reticulació dels microtúbuls, ajudant a formar una estructura a la regió crucial on els microtúbuls se superposen i els cromosomes se separen. 
 
Però PRC1 no actua sola. La seva activitat està estrictament controlada per garantir que els microtúbuls s'acoblen en el moment i lloc adequats. La proteïna es controla a través d'un procés anomenat fosforilació, en el qual els enzims afegeixen petites etiquetes químiques a regions específiques de la seva superfície. Aquestes etiquetes moleculars poden augmentar o disminuir l'activitat de PRC1. 
 
"Descobrírem que la manipulació de l'estat de fosforilació de PRC1 pot induir transicions a gran escala entre diferents estats d'organització del citoesquelet que són necessaris per a la divisió cel·lular. Els canvis triguen només uns minuts a completar-se", explica el Dr. Wei Ming Lim, primer autor de l'estudi i investigador postdoctoral al CRG. 
 
L'equip va realitzar aquest descobriment mitjançant el desenvolupament d'un nou sistema experimental a través del qual poden controlar amb precisió i fins i tot revertir les transicions de les estructures del citoesquelet associades amb diferents etapes de la divisió cel·lular fora d'un sistema viu. La nova tecnologia pot ajudar a estudiar els mecanismes fonamentals que governen la divisió cel·lular amb més control i detall del que abans era possible, i en temps real. 
 
"Ara podem crear i observar filmacions d'un citoesquelet en reorganització sota el microscopi, mentre avancem i rebobinem ràpidament com ens sembla. Aquesta és una fita important en aquest camp", afirma el Professor d’Investigació ICREA Thomas Surrey, autor principal de l'estudi i investigador del Centre de Regulació Genòmica, a  Barcelona. 
 
Amb el temps, el nou sistema pot aportar alguna llum sobre possibles estratègies terapèutiques per a afeccions en les quals la divisió cel·lular no arriba a bon port, com el càncer. No obstant això, per a Surrey, les implicacions de l'estudi són la forma en què aquest inspira una sensació d'admiració davant la sofisticació del món natural.  
 
"Les cèl·lules són increïblement petites, però al seu interior hi ha un sistema altament organitzat i molt complex que opera amb gran precisió. Amb descobriments com aquests, aquesta complexitat està començant a desentranyar-se", conclou.