Il “codice della tubulina” nel controllo del battito delle ciglia

Utilizzando tecniche avanzate di microscopia crioelettronica e analisi mutazionale, i ricercatori di HT dimostrano che pattern di poliglutammilazione e glicilazione della tubulina specifici per i protofilamenti promuovono il legame diretto delle proteine assonemali all’assonema ciliare, modulando così il battito delle ciglia. I risultati della ricerca sono pubblicati su Current Biology.

Le ciglia sono mesostrutture basate su microtubuli che controllano la motilità cellulare e la trasduzione del segnale nelle cellule eucariotiche. Nelle ciglia mobili, il nucleo della struttura – o assonema – è costituito da microtubuli con una disposizione “9+2” in cui nove doppietti di microtubuli circondano una coppia centrale di microtubuli singoli. Le dineine assonemali si associano ai doppietti esterni e inducono i microtubuli all’interno di un doppietto a scivolare l’uno sull’altro, consentendo così movimenti di flessione. Le modifiche post-traduzionali (PTM) della tubulina- come la glicilazione, la glutammilazione, l’acetilazione, la tirosinazione e la detirosinazione – sono note per essere arricchite nelle ciglia, ma la loro precisa distribuzione molecolare e i meccanismi in cui sono coinvolte non sono chiari. Il Pigino Group dello Human Technopole ha precedentemente dimostrato che la glicilazione della tubulina è necessaria per il corretto battito ciliare nello sperma di topo e contribuisce alla regolazione dell’attività della dineina assonemica¹. Tuttavia, rimangono alcune domande senza risposta: le dineine assonemali legano direttamente i protofilamenti glicilati? Altre PTM della tubulina – da sole o in combinazione – giocano un ruolo nel legame dei complessi proteici assonemali a uno specifico protofilamento?

Il Pigino Group ha affrontato questi problemi sfruttando la sua vasta esperienza nella tomografia immuno-crio-elettronica, nella microscopia ad espansione e nell’analisi mutazionale. Utilizzando l’alga verde Chlamydomonas reinhardtii e topi come sistemi modello, i ricercatori hanno dimostrato che, nelle ciglia mobili, la glicilazione e la poliglutammilazione della tubulina formano nano-pattern sub-microtubulari specifici per i protofilamenti. Sorprendentemente, questi nano-pattern di glicilazione e poliglutammilazione della tubulina coincidevano, rispettivamente,con la distribuzione delle dineine assonemali e dei complessi regolatori nexina-dineina (N-DRC) sui protofilamenti di tubulina. In particolare, i protofilamenti glicilati interagivano direttamente con i domini di legame alla tubulina delle dineine e l’abolizione della glicilazione della tubulina comprometteva la capacità di nuotare di Chlamydomonas. Al contrario, la poliglutammilazione della tubulina era importante per l’integrità assonemale e la motilità ciliare, in quanto consentiva l’interazione con i N-DRC, noti per creare un ponte tra doppietti di microtubuli vicini e contribuire alla regolazione delle dineineine assonemali.

“I nostri risultati dimostrano che nanopattern conservati di poliglutammilazione e glicilazione nell’assonema sono necessari per la corretta funzione deiN-DRC e delle dineine assonemali, rispettivamente, facendo così luce sul ruolo delle PTM della tubulina nella meccanica del ciglio”, affermano gli autori.

Gonzalo Alvarez Viar, primo autore dello studio, ha inoltre commentato “Risolvere la distribuzione di due PTM della tubulina su scala nanometrica ha permesso di testare la nostra ipotesi sulla presenza di un ‘codice della tubulina’ che consistein nanopattern di diverse PTM della tubulina specifici per i protofilamenti, che riflette l’architettura dell’ assonema. Questo fornisce un punto di riferimento per comprendere meccanicamente il ruolo specifico delle diverse PTM della tubulina nella regolazione dei componenti ciliari necessari per il corretto battito del ciglio”.

¹Gadadhar S. et al. Tubulin glycylation controls axonemal dynein activity, flagellar beat, and male fertility. Science (2021)

DOI: 10.1016/j.cub.2024.08.021