Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California, Berkeley ha combinado la microscopía crioelectrónica de vanguardia (crio-EM) con el modelado molecular computacional para producir un modelo de resolución casi atómica de la interacción entre los microtúbulos —componentes cruciales de la ultraestructura de las células eucariotas— y las proteínas asociadas a los microtúbulos llamadas tau.

El modelo proporciona información sobre cómo tau estabiliza los microtúbulos, y lo que hace que se disocie para formar agregados de tau, o "enredos, "en algunas enfermedades neurológicas, incluida la enfermedad de Alzheimer, generalmente conocidas como tauopatías.

Los microtúbulos juegan un papel importante en el mantenimiento de la forma celular, permitiendo algunas formas de locomoción, facilitar el transporte intracelular, y segregación de cromosomas durante la mitosis. Cada microtúbulo es un cilindro hueco compuesto por trece protofilamentos paralelos de proteína tubulina.

Tau ayuda a mantener estables los microtúbulos y los organiza en paquetes. Mutaciones o modificaciones postraduccionales, como la hiperfosforilación, que reducen la afinidad de la tau por los microtúbulos contribuyen a la formación de los ovillos de la tau.

El equipo, liderado por Eva Nogales, un científico de la facultad senior en la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada (MBIB) en Berkeley Lab e investigador del Instituto Médico Howard Hughes y profesor en UC Berkeley, usó crio-EM para obtener imágenes de tau adulta nativa de longitud completa unida a microtúbulos con una resolución general de 4,1 A ?. Demostraron que tau se adhiere longitudinalmente a lo largo de la cresta de los filamentos de tubulina, un hallazgo consistente con un estudio previo de crio-EM de baja resolución.

Tau es una proteína intrínsecamente desordenada que incluye un dominio de proyección, una región de unión a microtúbulos de cuatro repeticiones de secuencia imperfecta, y un dominio C-terminal. La tubulina es un dímero, lo que significa un par unido de polipéptidos estrechamente relacionados, en este caso, α-tubulina y β-tubulina. Los dímeros de tubulina se unen (o polimerizan) de la cabeza a la cola para formar los protofilamentos que forman los microtúbulos.

"Dada la extensa literatura sobre su falta de estructura regular, no estábamos seguros de que tau realmente formara interacciones ordenadas con tubulina, "dijo Elizabeth Kellogg, investigador postdoctoral en el laboratorio de Nogales y coautor del artículo que presenta el trabajo, publicado el 10 de mayo en la revista Ciencias .

Para probar hipótesis sobre qué residuos de tau están implicados en la unión a la tubulina, luego crearon construcciones sintéticas de tau con regiones de unión a microtúbulos compuestas por cuatro repeticiones idénticas y tomaron imágenes de las unidas a los microtúbulos también (resolución general 3,2-3,9 Å). Simon Poepsel, investigador postdoctoral en el laboratorio de Nogales, había trabajado con la forma amiloide de tau como estudiante de posgrado y fue fundamental en la purificación y preparación de las muestras para crio-EM.

"Cuando finalmente pudimos ver la longitud de una repetición tau y ver que tenía una estructura definida y un sitio de unión, nos dimos cuenta de que tau de hecho estaba formando interacciones específicas con la superficie de la tubulina, ", Dijo Kellogg." Cuando pudimos conciliar eso con la duración de una repetición y la información de secuencia que teníamos, era la clave que necesitábamos para descubrir cómo mejorar las reconstrucciones lo suficiente como para permitir el modelado atómico ".

El equipo luego se volvió hacia Rosetta, un conjunto completo de herramientas de modelado computacional para predecir las estructuras atómicas tridimensionales de macromoléculas a partir de la información de la secuencia de aminoácidos, basado en la conformación con el estado de energía más bajo. Los mapas crio-EM de alta resolución permitieron al equipo establecer restricciones en la forma general del complejo molecular, aumentando la fidelidad del modelo, Nogales explicó.

Frank DiMaio, profesor asociado en el departamento de bioquímica y el Instituto de Diseño de Proteínas de la Universidad de Washington, contribuyó con su experiencia trabajando con la plataforma Rosetta, particularmente la función de "ajuste a la densidad" usando datos crio-EM.

Rosetta structure predictions for two different synthetic tau constructs converged on the same solution:a backbone stretch of 27 residues spanning three tubulin monomers. "The identical sequence register and atomic details from two independent maps underscores the robustness of our solution and provides high confidence in the accuracy of our atomic models, " Nogales said.

"Our structure shows how tau's main contact with the microtubule surface is at the interface between tubulin subunits, serving as a 'stapler' to promote the association between tubulin subunits and explaining how tau promotes microtubule stability, " said Kellogg. "The structure also explains how tau phosphorylation leads to its dissociation from microtubules."

Phosphorylation of the serine at position 262 (universally conserved among tau repeats) has been observed to attenuate microtubule binding and is a marker of Alzheimer's disease. The model shows that phosphorylation at this crucial anchor point would disrupt interaction between tau and the microtubule and thus cause the "staples to fall off". Additional residues that are critical for tau-microtubule binding were identified as well.