在一項(xiàng)新的研究中，德國(guó)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(gè)國(guó)際研究小組與英國(guó)倫敦國(guó)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(xì)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(yùn)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(dòng)機(jī)，它是一個(gè)非凡的器官，不知疲倦地跳動(dòng)著，維持著我們的生命。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(fù)雜的過(guò)程，在那里，粗絲和細(xì)絲（thick protein filament，也稱為細(xì)蛋白絲，細(xì)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(xì)胞的基本組成部分。粗絲蛋白的任何變化都會(huì)對(duì)我們的健康造成嚴(yán)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(dòng)、心力衰竭和中風(fēng)-肥厚性心肌病可導(dǎo)致許多嚴(yán)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(jī)。當(dāng)然，如果了解了它的構(gòu)造和功能，對(duì)出現(xiàn)故障的它進(jìn)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(xì)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(yùn)動(dòng)。”
骨骼肌和心肌的收縮是通過(guò)肌節(jié)中兩種平行蛋白絲的相互作用實(shí)現(xiàn)的：細(xì)絲和粗絲。肌節(jié)被細(xì)分為幾個(gè)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(xì)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(jié)合蛋白 C（myosin binding protein C, MyBP-C）組成。MyBP-C可在粗絲和細(xì)絲之間形成連接，而所謂的馬達(dá)蛋白肌球蛋白則與細(xì)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(duì)粗絲的詳細(xì)描述對(duì)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(dāng)今生物學(xué)研究中最大的挑戰(zhàn)之一，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題。”為了克服這一障礙，他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(tuán)隊(duì)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(xì)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(guò)計(jì)算方法重建高分辨率的三維圖像。
cMyBP-C在粗絲和細(xì)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(tuán)隊(duì)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(dòng)蛋白---的高分辨率圖像。這兩項(xiàng)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(jiàn)解，例如肌球蛋白如何與肌動(dòng)蛋白結(jié)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(jié)合以穩(wěn)定它并決定它的長(zhǎng)度。
完成圖像繪制
在這項(xiàng)新的研究中，這些作者首次繪制了橫跨肌節(jié)多個(gè)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(shuō)，“500 納米的長(zhǎng)度是迄今為止通過(guò)cryo-ET解析的最長(zhǎng)、最大的結(jié)構(gòu)。”更令人印象深刻的是，他們對(duì)粗絲的分子結(jié)構(gòu)及其功能有了新的認(rèn)識(shí)。肌球蛋白分子的排列取決于它們?cè)诖纸z中的位置。他們猜測(cè)，這使得粗絲能夠感知并處理眾多肌肉調(diào)節(jié)信號(hào)，從而根據(jù)肌節(jié)區(qū)域調(diào)節(jié)肌肉收縮的強(qiáng)度。他們還揭示了肌聯(lián)蛋白鏈?zhǔn)侨绾窝刂纸z運(yùn)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(diào)肌節(jié)的長(zhǎng)度依賴性激活。
Raunser說(shuō)，“我們的目標(biāo)是有一天繪制出肌節(jié)的完整圖像。在這項(xiàng)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(jī)制，我們想分析不同狀態(tài)下的肌節(jié)，例如收縮時(shí)的肌節(jié)。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。”
合作咨詢
肖女士
021-33392297
Kelly.Xiao@imsinoexpo.com
2006-2025 上海博華國(guó)際展覽有限公司版權(quán)所有（保留一切權(quán)利）
滬ICP備05034851號(hào)-57
