An architectural switch in the evolution of the γ-tubulin ring complex

Stel je de binnenkant van een levende cel voor als een bruisende, microscopische stad. Om deze stad georganiseerd en in beweging te houden, heeft ze een stevig intern skelet nodig dat bestaat uit piepkleine, holle buizen die microtubuli worden genoemd. Denk aan deze buizen als de stalen balken van een wolkenkrabber of de rails voor een hogesnelheidstrein. Maar hier komt het lastige deel bij: deze rails verschijnen niet zomaar uit het niets. Ze hebben een mal nodig om omheen gebouwd te worden, een meesterblauwdruk die de bouwstenen precies vertelt hoe ze zichzelf moeten rangschikken. Bij de meeste levende wezens is deze blauwdruk een speciale machine genaamd het $\gamma$-tubuline ringcomplex, of $\gamma$-TuRC voor kort. Deze machine bouwt meestal banen met exact 13 rijstroken (of "protofilamenten") langs de buis. Echter, de natuur zit vol uitzonderingen. Sommige organismen, zoals de kleine rondworm C. elegans, bouwen hun banen met slechts 11 rijstroken. Lange tijd waren wetenschappers verbijsterd: hoe weet dezelfde machine te schakelen van het bouwen van een 13-baans snelweg naar een 11-baans snelweg? Waarom verandert de vorm van de blauwdruk?

Dit artikel duikt in dat mysterie door een superheldere, 3D-opname te maken van de C. elegans $\gamma$-TuRC-machine met behulp van een krachtige beeldvormingstechniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie. De onderzoekers ontdekten dat de machine van de worm de vorm van een kegel heeft, wat perfect overeenkomt met de noodzaak om die 11-baans banen te bouwen. Maar de echte verrassing is hoe het dit doet. Terwijl de meeste machines een standaard set onderdelen gebruiken, heeft de versie van de worm enkele van zijn gebruikelijke tandwielen verwisseld. In plaats van de standaard componenten die in andere wezens worden gevonden, gebruikt het een uniek vierarmig wiel bestaande uit extra kopieën van een eiwit genaamd GCP2 en twee speciale eiwitten die alleen in nematoden voorkomen (GTAP-1 en GTAP-2). De studie suggereert ook dat wanneer deze machine geen "brandstofmolecuul" (een nucleotide) vasthoudt, sommige van de onderdelen een beetje slap of ontvouwen lijken, wat erop wijst dat de brandstof de structuur rigide en klaar voor gebruik houdt.

Misschien wel de meest fascinerende wending is wat er gebeurde toen de wetenschappers dat unieke vierarmige wiel namen en het in een reageerbuis testten. Ze ontdekten dat deze wielen daadwerkelijk konden koppelen om een 13-baans sjabloon te vormen, wat de "standaard" grootte is, in plaats van de 11-baans grootte die de worm in de natuur gebruikt. Dit suggereert dat de machine ongelooflijk flexibel is; het heeft het potentieel om verschillende vormen te bouwen, maar in de worm worden specifieke onderdelen hergebruikt om de machine vast te zetten in die 11-baans modus. Het artikel beweert niet dat het alle mysteries heeft opgelost over hoe cellen hun skeletten bouwen, maar het biedt een heldere structurele blauwdruk van hoe één specifiek organisme zijn gereedschappen aanpast om een niet-standaard, 11-baans microtubulus te bouwen, wat ons laat zien hoe evolutie aan een universele machine kan knutselen om iets nieuws te creëren.