Researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) have discovered how proteins work in tandem to regulate ‘treadmilling’, a mechanism used by the network of microtubules inside cells to ensure proper cell division. The findings are published today in the Journal of Cell Biology.

Microtubules are long tubes made of proteins that serve as infrastructure to connect different regions inside of a cell. Microtubules are also critical for cell division, where they are key components of the spindle, the structure which attaches itself to chromosomes and pulls them apart into each new cell.

For the spindle to function properly, cells rely on microtubules to ‘treadmill’. This involves one end of the microtubule (known as the minus end) to lose components while the other (the plus end) adds components. The effect is like that of a treadmill conveyor belt, where the microtubules appear to be moving continuously without changing their overall length.

Treadmilling is crucial for cell division. “The most likely theory is that treadmilling helps the cell regulate its attachments to chromosomes by maintaining tension. Because microtubules are often growing from their plus ends, this tension can be provided by constant shrinking from the minus ends,” explains Dr. Gil Henkin, co-first author of the study.

Despite the central role of treadmilling in cell biology, how the process is regulated has remained a mystery – till now. The authors of the study used various isolated proteins known to play a central role in microtubule biology, putting them together in a test tube and visualizing them using a microscope.

Three proteins were found to be critical for regulating treadmilling: KIF2A, a protein belonging to a larger family of proteins that dismantles microtubules, the γ-tubulin ring complex (γ-TuRC), a scaffold for microtubules to grow from, and spastin, an enzyme that acts like a scissor cutting microtubules.

“The family of proteins that dismantle microtubules usually nibble on microtubules at both ends. We were surprised to find that one member of this family – KIF2A – has a strong preference for minus ends. This specialization is exactly what researchers have been looking for to explain why microtubules treadmill in the spindle,” explains Dr. Thomas Surrey, senior author of the study and researcher at the Centre for Genomic Regulation.

Before KIF2A can nibble a minus end, it needs to overcome yTuRC, which acts like a safety cap. “The enzyme spastin is required to free microtubules from the safety cap so that KIF2A can do its job once microtubule plus ends have grown long enough,” explains Dr. Cláudia Brito, co-first author of the study. 
The researchers found that the correct control of treadmilling requires the coordinated action of all three proteins. While the study does not directly translate into therapeutic avenues, it adds another piece to the intricate puzzle of cellular function and division. "Humans start as a single cell which must develop into many trillions of cells, all containing good copies of the genome. It's amazing and important that this process works extremely reliably, so we have added a small piece of the puzzle in understanding the overall mechanism,” concludes Dr. Henkin.

EN CASTELLANO

La “cinta transportadora” que garantiza la división celular 

Un equipo científico del Centro de Regulación Genómica (CRG) ha descubierto cómo las proteínas coordinan la regulación de treadmilling, un mecanismo utilizado por la red de microtúbulos en el interior de las células que garantiza la división celular. Los hallazgos se publican hoy en el Journal of Cell Biology.

Los microtúbulos son largos tubos proteicos que sirven como infraestructura para conectar diferentes regiones dentro de una célula. Éstos son además esenciales en la división celular, siendo componentes clave del huso mitótico, una estructura que se une a los cromosomas y los separa entre cada nueva célula.

Para que el huso funcione correctamente, las células dependen de los microtúbulos para el treadmilling. Esto implica que uno de sus extremos (conocido como el ‘extremo negativo’) pierda componentes mientras que el otro (‘el extremo positivo’) agregue componentes. El efecto es similar al de una cinta transportadora en movimiento, donde los microtúbulos parecen moverse continuamente sin cambiar su longitud.

El treadmilling es crucial para la división celular. “La teoría más probable es que el treadmilling ayude a la célula a regular sus uniones a los cromosomas, manteniendo la tensión. Dado que los microtúbulos suelen crecer desde sus extremos positivos, esta tensión puede proporcionarse por la contracción constante desde los extremos negativos”, explica el Dr. Gil Henkin, co-primer autor del estudio.

A pesar de que el treadmilling sea un proceso vital en la biología celular, su regulación ha sido un misterio... hasta ahora. Los autores del estudio aislaron varias proteínas que desempeñan un papel central en la biología de los microtúbulos, las combinaron en un tubo de ensayo y las visualizaron utilizando un microscopio.

Descubrieron que tres proteínas son fundamentales para regular el mecanismo de treadmilling: KIF2A, una proteína que pertenece a una familia más amplia de proteínas que desmantelan los microtúbulos; el complejo del anillo de γ-tubulina (γ-TuRC), que es la estructura a partir de la cual crecen  los microtúbulos, y la espastina, un enzima que actúa como una tijera para cortar los microtúbulos.

“La familia de proteínas que desmantelan los microtúbulos generalmente “mordisquea” en ambos extremos. Nos sorprendió descubrir que un miembro de esta familia, KIF2A, tiene una fuerte preferencia por los extremos negativos. Esta especialización es exactamente lo que la ciencia lleva buscando para explicar por qué los microtúbulos tienen un movimiento similar al de una cinta transportadora en el huso”, afirma el Dr. Thomas Surrey, autor principal del estudio e investigador del Centro de Regulación Genómica.

Antes de que KIF2A pueda “mordisquear” un extremo negativo, necesita superar a yTuRC, que actúa como un tapón de seguridad. "Se require la enzima espastina para liberar a los microtúbulos del tapón de seguridad para que KIF2A pueda desempeñar su función, una vez que los extremos positivos de los microtúbulos hayan crecido lo suficiente", explica la Dra. Cláudia Brito, co-primera autora del estudio.

El equipo científico descubrió que el control correcto del treadmilling requiere la acción coordinada de las tres proteínas. Si bien el estudio no se traduce directamente en aplicaciones terapéuticas, agrega otra pieza al intrincado rompecabezas de la función y división celular.

"Los seres humanos comienzan como una sola célula que debe convertirse en billones de células, todas conteniendo copias fieles del genoma. Es asombroso e importante que este proceso funcione de manera extremadamente fidedigna, por lo que hemos añadido una pequeña pieza al rompecabezas para comprender el mecanismo general,” concluye el Dr. Henkin.

EN CATALÀ

La “cinta transportadora” que garanteix la divisió cel·lular

Un equip científic del Centre de Regulació Genòmica (CRG) ha descobert com les proteïnes regulen el treadmilling, un mecanisme utilitzat per la xarxa de microtúbuls a l'interior de les cèl·lules que garanteix la divisió cel·lular. Les troballes es publiquen avui al Journal of Cell Biology.

Els microtúbuls són llargs tubs proteics que serveixen com a infraestructura per connectar diferents regions dins una cèl·lula. Aquests també són essencials en la divisió cel·lular, i són components clau del fus mitòtic, una estructura que s'uneix als cromosomes i els separa a cada nova cèl·lula.

Perquè el fus funcioni correctament, les cèl·lules depenen dels microtúbuls per al treadmilling. Això implica que un dels seus extrems (conegut com l'extrem negatiu) perdi components mentre que l'altre (l'extrem positiu) afegeixi components. L'efecte és similar al d'una cinta transportadora en moviment, on els microtúbuls semblen moure's contínuament sense canviar-ne la longitud.

El treadmilling és crucial per a la divisió cel·lular. “La teoria més probable és que el treadmilling ajudi la cèl·lula a regular les seves unions als cromosomes, mantenint la tensió. Atès que els microtúbuls solen créixer des dels extrems positius, aquesta tensió es pot proporcionar per la contracció constant des dels extrems negatius”, explica el Dr. Gil Henkin, co-primer autor de l'estudi.

Tot i que el treadmilling sigui un procés vital en la biologia cel·lular, la seva regulació ha estat un misteri... fins ara. Els autors de l'estudi van aïllar diverses proteïnes que tenen un paper central a la biologia dels microtúbuls, les van combinar en un tub d'assaig i les van visualitzar utilitzant un microscopi.

Van descobrir que tres proteïnes són fonamentals per regular el mecanisme de treadmilling: KIF2A, una proteïna que pertany a una família més àmplia de proteïnes que desmantellen els microtúbuls; el complex de l'anell de γ-tubulina (γ-TuRC), que és l'estructura a partir de la qual creixen els microtúbuls, i l'espastina, un enzim que actua com una tisora per tallar els microtúbuls.

“La família de proteïnes que desmantellen els microtúbuls generalment “rosega” als dos extrems. Ens va sorprendre descobrir que un membre d´aquesta família, KIF2A, té una forta preferència pels extrems negatius. Aquesta especialització és exactament el que es buscava per explicar per què els microtúbuls tenen un moviment similar al d'una cinta transportadora al fus”, afirma el Dr. Thomas Surrey, autor principal de l'estudi i investigador del Centre de Regulació Genòmica.

Abans que KIF2A pugui “rosegar” un extrem negatiu, necessita superar iTuRC, que actua com un tap de seguretat. "Es requereix l'enzim espastina per alliberar els microtúbuls del tap de seguretat perquè KIF2A pugui exercir la seva funció, una vegada que els extrems positius dels microtúbuls hagin crescut prou", explica la Dra. Cláudia Brito, co-primera autora del estudi.

L'equip científic va descobrir que el control correcte del treadmilling requereix l'acció coordinada de les tres proteïnes. Si bé l'estudi no es tradueix directament en aplicacions terapèutiques, afegeix una altra peça a l'intricat trencaclosques de la funció i la divisió cel·lular.

"Els éssers humans comencen com una sola cèl·lula que ha de convertir-se en bilions de cèl·lules, totes contenint còpies fidels del genoma. És sorprenent i important que aquest procés funcioni de manera extremadament fidedigna, per la qual cosa hem afegit una petita peça al trencaclosques per comprendre el mecanisme general,” conclou el Dr. Henkin.