Taccalonolide AJ uncouples tubulin GTP hydrolysis from microtubule depolymerization

Binnen elke levende cel vormt een uitgestrekt netwerk van microscopische buisjes het steigerwerk voor het leven. Deze structuren, bekend als microtubuli, fungeren als de interne snelwegen en constructiebalken van de cel, essentieel voor alles van het transporteren van lading tot het delen van cellen. Ze zijn opgebouwd uit eiwitbouwstenen die aan elkaar kunnen klikken om een buis te vormen of uit elkaar kunnen vallen in individuele stukjes. Deze constante cyclus van assemblage en deassemblage is geen gebrek maar een kenmerk; het stelt de cel in staat om flexibel en responsief te zijn. Echter, wanneer deze buisjes te rigide worden of niet uit elkaar vallen wanneer dat wel zou moeten, komt de machinerie van de cel tot stilstand. Vanwege deze cruciale rol werken veel krachtige kankermedicijnen door deze buisjes te verstoren, door ze op hun plaats te bevriezen om te voorkomen dat kankercellen zich delen. Decennialang was het bekendste van deze medicijnen, paclitaxel, de gouden standaard, maar het gaat gepaard met aanzienlijke bijwerkingen en resistentieproblemen, wat wetenschappers ertoe drijft om naar nieuwe manieren te zoeken om deze minuscule structuren te beheersen.

Jarenlang geloofden onderzoekers dat de enige manier om deze microtubuli te stabiliseren en te voorkomen dat ze uit elkaar vielen, het forceren van een specifieke, uitgezette vorm was. Dit was de heersende theorie over hoe de meest voorkomende kankerbestrijdende medicijnen werkten. Men dacht dat ze werkten als een wig die de eiwitsubunits uit elkaar drukte in een uitgerekte vorm die de cel niet gemakkelijk kon afbreken. Maar een nieuwe studie daagt dit lang gevestigde beeld uit door een compleet andere strategie te onthullen. Een team van wetenschappers heeft ontdekt dat een natuurlijke verbinding genaamd taccalonolide AJ, of taccaAJ voor kort, microtubuli stabiliseert door precies het tegenovergestelde te doen van wat werd verwacht. In plaats van de buisjes in een uitgezette staat te dwingen, vergrendelt dit medicijn ze in een compacte, gekrompen vorm die normaal gesproken instabiel is en geneigd is uit elkaar te vallen. Door dit te doen, ontkoppelt het medicijn het chemische proces van energieafgifte van de fysieke handeling van het uiteenvallen van de buis, waardoor een rigide structuur ontstaat die bestand is tegen instorten, ook al ziet het eruit alsof het uit elkaar zou moeten vallen.

Om te begrijpen hoe dit werkt, moesten de onderzoekers de microtubuli met ongelooflijk detail bekijken. Ze gebruikten een krachtige beeldvormingstechniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie, die moleculen op hun plaats bevriest en wetenschappers in staat stelt hun atomaire structuur te zien. Ze kweekten microtubuli in een laboratoriumschaal en behandelden deze met het medicijn, waarna ze beelden vastlegden die onthulden dat het medicijn direct aan de eiwitbouwstenen bindt. Wat ze zagen was verrassend. Het medicijn hechtte zich aan een specifieke holte op het eiwit, een plek waar ook andere medicijnen binden, maar het zat in een iets andere positie. Belangrijker nog, de microtubuli die met dit medicijn waren behandeld, bevonden zich in een compacte staat, dezelfde vorm die ze aannemen nadat ze hun chemische energie hebben verbruikt. Normaal gesproken is een microtubulus in deze compacte vorm zwak en klaar om uit elkaar te vallen. Het medicijn werkt echter als een klem die deze gekrompen vorm bij elkaar houdt en voorkomt dat deze uit elkaar valt.

De onderzoekers testten vervolgens hoe deze medicijn-gestabiliseerde buisjes zich in de echte wereld gedroegen. Ze observeerden hoe de microtubuli over een oppervlak gleden dat bedekt was met motor-eiwitten, die fungeren als minuscule motoren. De buisjes die met het nieuwe medicijn waren behandeld, bewogen in perfect rechte lijnen, wat aantoonde dat ze extreem stijf en rigide waren. In contrast hiermee bewogen de buisjes die behandeld waren met het oudere, bekende medicijn in bochten en curven, wat erop wees dat ze meer flexibel waren. Wanneer de onderzoekers probeerden de nieuw gestabiliseerde buisjes met het medicijn in een scherpe bocht te dwingen, bogen ze niet; in plaats daarvan braken ze. Toch, zelfs na het breken, losten de stukjes niet op of vielen ze niet uit elkaar. Dit bevestigde dat het medicijn de gehele structuur ongelooflijk taai en bestand tegen afbraak had gemaakt, een eigenschap die het oudere medicijn niet in dezelfde mate bezat.

Verdere experimenten toonden aan hoe dit medicijn het gedrag van de microtubuli in de loop van de tijd verandert. In een normale microtubulus groeien en krimpen de uiteinden snel, een proces dat essentieel is voor de celfunctie. Het nieuwe medicijn stopte de groei niet, maar vertraagde het krimpen drastisch. Wanneer een krimpend uiteinde probeerde terug te trekken, fungeerden de door het medicijn gestabiliseerde secties als een barrière, waardoor de microtubulus stopte met krimpen en veel vaker weer begon te groeien. Dit suggereert dat het medicijn stabiele eilanden langs de lengte van de buis creëert die het deassemblatieproces voorkomen. De onderzoekers testten het medicijn ook in levende cellen. Ze vonden dat, hoewel het medicijn de normale, snelle beweging van de microtubuli snel stopte, het hun vorm niet veranderde. De microtubuli bleven in hun compacte vorm, maar ze bleven intact, zelfs wanneer de cellen werden blootgesteld aan koude temperaturen die normaal gesproken tot hun ontbinding zouden leiden.

Deze ontdekking is significant omdat het bewijst dat er meer dan één manier is om een microtubulus te stabiliseren. Voor een lange tijd namen wetenschappers aan dat je, om deze buisjes stabiel te maken, ze moest uitzetten. Dit artikel laat zien dat je ze ook kunt stabiliseren door hun compacte, gekrompen staat te versterken. Het medicijn bereikt dit door de verbindingen tussen de eiwitdraden die de buis vormen te versterken, waardoor de hele structuur rigider wordt. Deze unieke werking betekent dat het medicijn anders werkt dan de oudere generaties kankerbehandelingen, wat kan verklaren waarom het effectief kan zijn tegen kankercellen die resistent zijn geworden voor andere medicijnen. Door aan te tonen dat een compacte microtubulus net zo stabiel kan zijn als een uitgezette, hebben de onderzoekers een nieuwe deur geopend voor het begrip van hoe deze essentiële cellulaire structuren functioneren en hoe we deze met nieuwe medicijnen kunnen targeten.