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)導的一個(gè)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(chēng)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部的分子分布和成分排列。這一新發(fā)現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)研究結果于2023年11月1日在線(xiàn)發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“Structure of the native myosin filament in the relaxed cardiac sarcomere”。
人類(lèi)的心臟通常被描述為身體的發(fā)動(dòng)機，它是一個(gè)非凡的器官，不知疲倦地跳動(dòng)著(zhù)，維持著(zhù)我們的生命。在這個(gè)重要器官的核心部位，心臟 收縮時(shí)會(huì )發(fā)生復雜的過(guò)程，在那里，粗絲和細絲（thick protein filament，也稱(chēng)為細蛋白絲，細肌絲）在肌節（sarcomere）內相互作用，而肌節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(huì )對我們的健康造成嚴重影響，導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(dòng)、心力衰竭和中風(fēng)-肥厚性心肌病可導致許多嚴重的健康問(wèn)題，也是35歲以下人群心源性猝死的主要原因。Raunser 說(shuō)，“心肌是人體的核心發(fā)動(dòng)機。當然，如果了解了它的構造和功能，對出現故障的它進(jìn)行修復就容易多了。在肌肉研究的初期，我們已成功地利用低溫電鏡觀(guān)察到了這些肌肉基本組成成分的結構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(dòng)態(tài)相互作用如何使肌肉在天然環(huán)境中運動(dòng)。”
骨骼肌和心肌的收縮是通過(guò)肌節中兩種平行蛋白絲的相互作用實(shí)現的：細絲和粗絲。肌節被細分為幾個(gè)稱(chēng)為區（zone）和帶（band）的區域，在這些區域中，這些蛋白絲以不同的方式排列。細絲由 F-肌動(dòng)蛋白（F-actin）、肌鈣蛋白（troponin）、原肌球蛋白（tropomyosin）和伴肌動(dòng)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(méi)有這方面的研究。
Raunser說(shuō)，“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---這是當今生物學(xué)研究中最大的挑戰之一，傳統的實(shí)驗方法無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題。”為了克服這一障礙，他的團隊開(kāi)發(fā)了一種cryo-ET工作流程，專(zhuān)門(mén)用于研究肌肉樣本：他們將Mathias Gautel團隊制作的哺乳動(dòng)物心肌樣本在極低的溫度（- 175 °C）下進(jìn)行速凍。這就保留了它們的水合作用和精細結構，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(guò)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(lái)自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06690-5。
近年來(lái)，Raunser團隊成功應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(dòng)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)于肌節中肌肉蛋白三維組裝的見(jiàn)解，例如肌球蛋白如何與肌動(dòng)蛋白結合以控制肌肉收縮，以及伴肌動(dòng)蛋白如何與肌動(dòng)蛋白結合以穩定它并決定它的長(cháng)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多個(gè)區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(shuō)，“500 納米的長(cháng)度是迄今為止通過(guò)cryo-ET解析的最長(cháng)、最大的結構。”更令人印象深刻的是，他們對粗絲的分子結構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節信號，從而根據肌節區域調節肌肉收縮的強度。他們還揭示了肌聯(lián)蛋白鏈是如何沿著(zhù)粗絲運動(dòng)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)調肌節的長(cháng)度依賴(lài)性激活。
Raunser說(shuō)，“我們的目標是有一天繪制出肌節的完整圖像。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。為了充分了解肌節的功能和調控機制，我們想分析不同狀態(tài)下的肌節，例如收縮時(shí)的肌節。與肌肉疾病患者的肌肉樣本進(jìn)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(kāi)發(fā)創(chuàng )新療法。”
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