Gli scienziati dellaUC Berkeley hanno scoperto l’effetto estremamente sottile che il farmaco da prescrizione Taxol ha nelle cellule e che lo rende uno degli agenti antitumorali più usati nel mondo.
I dettagli, che coinvolgono l’interferenza del farmaco con la normale funzione dei microtubuli, parte dello scheletro della cellula, potrebbero aiutare a progettare migliori farmaci anticancro, o a migliorare il Taxol e altri farmaci già noti per interrompere il funzionamento dei microtubuli.
I risultati sono riportati nel numero del 22 maggio della rivista Cell.
“Gli sforzi per comprendere meglio questi chemioterapici sono molto importanti, perché ci sono alcune differenze di microtubuli nelle cellule tumorali rispetto alle cellule normali che forse possiamo sfruttare”, ha detto l’autore principale Eva Nogales, un biofisico, professore UC Berkeley di biologia molecolare e cellulare e scienziato senior di facoltà al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). “Non siamo ancora arrivati a questo punto, ma questo è il tipo di analisi di cui abbiamo bisogno per arrivarci.”
Il Taxolo, originariamente estratto dalla corteccia dell’albero del tasso del Pacifico, è uno dei farmaci più comunemente usati contro i tumori solidi, ed è un farmaco di prima linea per il trattamento del cancro alle ovaie e al seno avanzato. Il farmaco è noto per legarsi ai microtubuli ed essenzialmente congelarli, il che impedisce loro di separare i cromosomi quando una cellula si divide. Questo uccide le cellule che si dividono, in particolare le cellule tumorali, che sono note per la rapida proliferazione.
Nogales, un ricercatore dell’Howard Hughes Medical Institute, ha lavorato sui microtubuli da quando era uno studente di dottorato in Inghilterra nei primi anni ’90, utilizzando tecniche come la dispersione dei raggi X e la microscopia crioelettronica per studiare come il Taxol e altri agenti anticancro influenzano i microtubuli. Più tardi, durante il suo lavoro post-dottorato al LBNL con Ken Downing, è stata la prima a scoprire esattamente dove il Taxolo lega il blocco base, chiamato tubulina, del polimero dei microtubuli.
I microtubuli sono lo scheletro della cellula
Il lavoro di molti scienziati di tutto il mondo ha dimostrato che la rete di microtubuli all’interno delle cellule, chiamata citoscheletro, è molto diversa dai rigidi scheletri animali. I microtubuli sono filamenti polimerici che crescono e si restringono costantemente, e così facendo spingono e tirano le cose intorno alla cellula, compresi i cromosomi. Gli scienziati chiamano questa instabilità dinamica. I microtubuli forniscono anche un’autostrada per trasportare gli organelli della cellula e altri pacchetti in giro per la cellula.
La tubulina, l’unità strutturale di base del microtubulo, è un complesso di due proteine – tubulina alfa e beta. Le unità di tubulina si impilano una sopra l’altra per formare strisce che si allineano con altre strisce e poi si chiudono per formare un tubo cavo, il microtubulo.
“La tubulina, la proteina citoscheletrica che si auto-assembla in microtubuli, è assolutamente essenziale per la vita di ogni cellula eucariotica, ed è per questo che è diventata uno dei principali obiettivi degli agenti anticancro”, ha detto Nogales. “E’ sorprendente come i microtubuli si muovano e provino nuove cose quasi a caso, ma c’è un livello di controllo incorporato nella cellula che alla fine dà un senso a questo caos, e la cellula sopravvive e prospera.”
I microtubuli crescono dalla loro estremità libera a circa 1 micron al minuto aggiungendo continuamente più tubulina (circa 20 molecole di tubulina al secondo). Ma se smettono di crescere, si spellano rapidamente come la buccia di una banana, rilasciando tubulina da riciclare in altri microtubuli. Questo distacco, o depolimerizzazione, avviene fino a 15 micron al minuto, o circa 300 molecole di tubulina che cadono al secondo, ha detto Nogales.
I microtubuli sono come molle compresse
Nogales ha ora scoperto perché i microtubuli si staccano così rapidamente. Quando si assemblano, le strisce di tubulina sono sottoposte a uno sforzo intenso, ma gli viene impedito di piegarsi e staccarsi dal tappo di tubulina che cresce all’estremità. Una volta che la crescita si ferma e il tappo scompare, la tensione trattenuta strappa il microtubulo a parte.
La tensione si crea quando il complesso di tubulina, che ha una piccola molecola energetica chiamata GTP (guanosina trifosfato) attaccata, viene idrolizzata e il GTP si trasforma in GDP (guanosina difosfato). Questa reazione chimica compatta le subunità alfa e beta, un po’ come le vertebre compattate, mantenendo la pila di tubulina sotto tensione finché il microtubulo cresce alla sua estremità.
“Era stato proposto che la tubulina fosse vincolata, ma nessuno l’aveva dimostrato”, ha detto Nogales. “Quello che abbiamo visto è che quando avviene l’idrolisi del GTP, la struttura della tubulina si blocca in uno stato di tensione, come una molla compressa. Le subunità terminali tengono insieme il tutto.”
Quando la crescita si ferma, la tensione si scatena, e le strisce si staccano rapidamente.
Presso la subunità di tubulina che costituisce la rete di microtubuli della cellula (verde). Il nucleo è blu.
“Questo lavoro rappresenta un importante passo avanti su un problema con una lunga storia”, ha scritto Tim Mitchison in un commento nello stesso numero di Cell. Mitchison, professore di biologia dei sistemi all’Università di Harvard, è stato il primo a mostrare l’importanza dell’idrolisi del GTP nella destabilizzazione dei microtubuli. Il modello proposto da Nogales e dal suo team, ha aggiunto, “fornisce il nostro primo sguardo nel meccanismo di destabilizzazione”.
Nogales ha anche scoperto che il Taxol si inserisce nella proteina tubulina e impedisce la compattazione delle subunità alfa e beta, in modo che non si crei tensione. Di conseguenza, anche se il microtubulo smette di crescere, rimane intatto, fondamentalmente congelato al suo posto, incapace di staccarsi, o depolimerizzarsi, e svolgere la sua normale funzione.
“Il taxolo inverte gli effetti dell’idrolisi del GTP”, ha detto.
Spingendo i limiti della microscopia crioelettronica
Nogales e il suo team hanno scoperto questi cambiamenti strutturali spingendo i limiti della microscopia crioelettronica, una tecnica in cui i campioni sono congelati e sondati con un raggio elettronico ad alta potenza. Ora hanno raggiunto una risoluzione sufficiente per vedere dettagli più piccoli di 5 angstrom (un decimo di nanometro), che è circa la dimensione di cinque atomi di idrogeno. Mentre la maggior parte delle informazioni fino ad oggi sulla struttura della tubulina all’interno del microtubulo è venuta dallo studio di fogli artificiali e piatti di strisce allineate di tubulina, Nogales è stato in grado di sondare microtubuli tridimensionali congelati nel loro stato naturale, con e senza Taxol legato alla tubulina. Questo confronto ha mostrato chiaramente l’effetto che il Taxol ha sulla struttura dei microtubuli.
Altri coautori dell’articolo sono l’ex studente laureato in biofisica della UC Berkeley Gregory M. Alushin, ora del National Heart Lung and Blood Institute di Bethesda, Md; l’ex postdoc LBNL Gabriel C. Lander, ora del The Scripps Research Institute di La Jolla, Calif.Elizabeth H. Kellogg della UC Berkeley; Rui Zhang del LBNL e David Baker dell’Università di Washington, Seattle.
La ricerca è finanziata dal National Institute of General Medical Sciences del National Institutes of Health (GM051487), dal Damon Runyon Cancer Research Foundation e dal Howard Hughes Medical Institute.