在一項新的研究中，德國馬克斯-普朗克分子生理學(xué)研究所主任Stefan Raunser領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組與英國倫敦國王學(xué)院的Mathias Gautel合作，利用一種名為低溫電鏡斷層成像技術(shù)（electron cryo-tomography, cryo-ET）的前沿技術(shù)，在世界上成功獲得了粗絲（thick protein filament，也稱為粗蛋白絲，粗肌絲）在天然細胞環(huán)境中的首張高分辨率三維圖像。這使人們得以一窺粗絲內(nèi)部的分子分布和成分排列。這一新發(fā)現(xiàn)是理解肌肉在健康和疾病狀態(tài)下如何運作的重要框架。相關(guān)研究結(jié)果于2023年11月1日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Structure of the native myosin filament in the relaxed cardiac sarcomere”。
人類的心臟通常被描述為身體的發(fā)動機，它是一個非凡的器官，不知疲倦地跳動著，維持著我們的生命。在這個重要器官的核心部位，心臟 收縮時會發(fā)生復(fù)雜的過程，在那里，粗絲和細絲（thick protein filament，也稱為細蛋白絲，細肌絲）在肌節(jié)（sarcomere）內(nèi)相互作用，而肌節(jié)是骨骼肌和心肌細胞的基本組成部分。粗絲蛋白的任何變化都會對我們的健康造成嚴重影響，導(dǎo)致肥厚型心肌病和其他多種心臟疾病和肌肉疾病。
心房顫動、心力衰竭和中風(fēng)-肥厚性心肌病可導(dǎo)致許多嚴重的健康問題，也是35歲以下人群心源性猝死的主要原因。Raunser 說，“心肌是人體的核心發(fā)動機。當(dāng)然，如果了解了它的構(gòu)造和功能，對出現(xiàn)故障的它進行修復(fù)就容易多了。在肌肉研究的初期，我們已成功地利用低溫電鏡觀察到了這些肌肉基本組成成分的結(jié)構(gòu)以及它們之間的相互作用。然而，這些都是從活細胞中提取的蛋白的靜態(tài)圖像。它們只能告訴我們肌肉成分的高度可變性和動態(tài)相互作用如何使肌肉在天然環(huán)境中運動。”
骨骼肌和心肌的收縮是通過肌節(jié)中兩種平行蛋白絲的相互作用實現(xiàn)的：細絲和粗絲。肌節(jié)被細分為幾個稱為區(qū)（zone）和帶（band）的區(qū)域，在這些區(qū)域中，這些蛋白絲以不同的方式排列。細絲由 F-肌動蛋白（F-actin）、肌鈣蛋白（troponin）、原肌球蛋白（tropomyosin）和伴肌動蛋白（nebulin）組成。粗絲由肌球蛋白（myosin）、肌聯(lián)蛋白（titin）和肌球蛋白結(jié)合蛋白 C（myosin binding protein C, MyBP-C）組成。MyBP-C可在粗絲和細絲之間形成連接，而所謂的馬達蛋白肌球蛋白則與細絲相互作用，產(chǎn)生力量和肌肉收縮。這些粗絲蛋白的變化與肌肉疾病有關(guān)。對粗絲的詳細描述對于制定治療這些疾病的策略極為重要，但迄今為止還沒有這方面的研究。
Raunser說，“如果想充分了解肌肉在分子水平上的工作原理，就需要描繪出肌肉的組成成分在天然環(huán)境中的情況---這是當(dāng)今生物學(xué)研究中最大的挑戰(zhàn)之一，傳統(tǒng)的實驗方法無法解決這個問題。”為了克服這一障礙，他的團隊開發(fā)了一種cryo-ET工作流程，專門用于研究肌肉樣本：他們將Mathias Gautel團隊制作的哺乳動物心肌樣本在極低的溫度（- 175 °C）下進行速凍。這就保留了它們的水合作用和精細結(jié)構(gòu)，從而保持了它們的天然狀態(tài)。然后，使用聚焦離子束（FIB 銑削）將這些肌肉樣本削薄至透射電子顯微鏡所需的理想厚度（約 100 納米）。最后，通過計算方法重建高分辨率的三維圖像。
cMyBP-C在粗絲和細絲之間形成連接。圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06690-5。
近年來，Raunser團隊成功應(yīng)用了這種定制的工作流程，最近發(fā)表了兩篇突破性的論文：他們首次繪制了肌節(jié)的高分辨率圖像，并繪制了一種迄今尚不清楚的肌肉蛋白---伴肌動蛋白---的高分辨率圖像。這兩項研究為我們提供了前所未有的關(guān)于肌節(jié)中肌肉蛋白三維組裝的見解，例如肌球蛋白如何與肌動蛋白結(jié)合以控制肌肉收縮，以及伴肌動蛋白如何與肌動蛋白結(jié)合以穩(wěn)定它并決定它的長度。
完成圖像繪制
在這項新的研究中，這些作者首次繪制了橫跨肌節(jié)多個區(qū)域的心臟粗絲的高分辨率圖像。論文第一作者、馬克斯-普朗克分子生理學(xué)研究所的Davide Tamborrini說，“500 納米的長度是迄今為止通過cryo-ET解析的最長、最大的結(jié)構(gòu)。”更令人印象深刻的是，他們對粗絲的分子結(jié)構(gòu)及其功能有了新的認識。肌球蛋白分子的排列取決于它們在粗絲中的位置。他們猜測，這使得粗絲能夠感知并處理眾多肌肉調(diào)節(jié)信號，從而根據(jù)肌節(jié)區(qū)域調(diào)節(jié)肌肉收縮的強度。他們還揭示了肌聯(lián)蛋白鏈?zhǔn)侨绾窝刂纸z運動的。肌聯(lián)蛋白鏈與肌球蛋白交織在一起，作為肌球蛋白組裝的支架，并可能協(xié)調(diào)肌節(jié)的長度依賴性激活。
Raunser說，“我們的目標(biāo)是有一天繪制出肌節(jié)的完整圖像。在這項新的研究中，粗絲的圖像只是肌肉放松狀態(tài)下的快照。為了充分了解肌節(jié)的功能和調(diào)控機制，我們想分析不同狀態(tài)下的肌節(jié)，例如收縮時的肌節(jié)。與肌肉疾病患者的肌肉樣本進行比較，最終將有助于更好地了解肥厚性心肌病等疾病，并有助于開發(fā)創(chuàng)新療法。”
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