克服困难：突破性研究揭示心肌节的功能

　　科学家们捕捉到了哺乳动物心肌粗纤维的第一张真实的3D图像。

　　

肌肉研究的里程碑

肥厚性心肌病是35岁以下人群心源性猝死的关键因素，可导致心房颤动、心力衰竭和中风等严重健康状况。

骨骼肌和心肌在肌节中两种平行蛋白丝的相互作用下收缩:薄的和厚的。肌节被细分为几个区域，称为区和带，其中这些纤维以不同的方式排列。

细丝由F-肌动蛋白（ F-actin）、肌钙蛋白、原肌球蛋白和星云蛋白组成。粗丝由肌凝蛋白、肌凝蛋白和肌凝蛋白结合蛋白C (MyBP-C)组成。后者可以在细丝之间形成连接，而肌凝蛋白，即所谓的运动蛋白，与细丝相互作用，产生力量和肌肉收缩。

松弛心肌肌节内的粗纤维结构。上图为心脏肌瘤的断层扫描。细丝用绿色标记，粗丝用紫色箭头标记。中间的图像显示重建的粗(紫色)和细(绿色)细丝。下图显示了跨越几个肌节区域的细丝的结构。比例尺显示50 nm。来源:分子生理学MPI

粗丝蛋白的改变与肌肉疾病有关。厚纤维的详细图像对于开发治疗这些疾病的治疗策略非常重要，但到目前为止还没有。

“心肌是人体的中心引擎。当然，如果你知道一个坏了的引擎是如何制造和运作的，那么修理它就容易多了。在我们的肌肉研究之初，我们已经成功地可视化了基本肌肉构建块的结构，以及它们如何使用电子冷冻显微镜相互作用。然而，这些是从活细胞中提取的蛋白质的静态图像。他们只告诉我们很少关于肌肉成分的高度可变的，动态的相互作用如何在其自然环境中运动肌肉，”Stefan Raunser说。“如果你想完全了解肌肉在分子水平上是如何工作的，你需要描绘出它在自然环境中的组成部分——这是当今生物研究中最大的挑战之一，传统的实验方法无法解决。”

为了克服这一障碍，他的团队开发了一种专门针对肌肉样本调查的电子冷冻断层扫描工作流程:科学家们在极低的温度(- 175°C)下快速冷冻由伦敦Gautel集团生产的哺乳动物心肌样本。

这保持了它们的水合作用和精细结构，从而保持了它们的天然状态。然后应用聚焦离子束(FIB铣削)将样品削薄至约100纳米的理想厚度，用于透射电子显微镜，当样品沿轴倾斜时，透射电子显微镜获得多幅图像。最后，用计算方法重建高分辨率的三维图像。

近年来，Raunser的团队成功地应用了定制的工作流程，并在最近发表了两篇突破性的论文:他们制作了第一张高分辨率的肌肉节图像，以及迄今为止名为星云蛋白的朦胧肌肉蛋白的图像。这两项研究都为肌节中肌肉蛋白的三维组织提供了前所未有的见解，例如肌凝蛋白如何与肌动蛋白结合以控制肌肉收缩，以及星云蛋白如何与肌动蛋白结合以稳定肌动蛋白并确定其长度。

在他们目前的研究中，科学家们制作了第一张高分辨率图像，显示了跨越肌节几个区域的心脏粗丝。该研究的第一作者、来自MPI Dortmund的Davide Tamborrini说:“500纳米的长度是冷冻电镜有史以来最长、最大的结构。”

更令人印象深刻的是新获得的对粗丝分子组织的见解，从而了解其功能。肌凝蛋白分子的排列取决于它们在丝中的位置。

科学家们怀疑，这使得粗纤维能够感知和处理大量的肌肉调节信号，从而根据肌节区域调节肌肉收缩的强度。他们还揭示了titin链是如何沿着丝状结构运行的。肌凝蛋白链与肌凝蛋白交织在一起，作为肌凝蛋白组装的支架，并可能协调肌节的长度依赖性激活。

“我们的目标是有一天绘制出肌节的完整图像。在这项研究中，粗纤维的图像只是肌肉放松状态下的快照。为了充分了解肌节的功能和调控机制，我们想分析不同状态下的肌节，例如收缩时的肌节。

与肌肉疾病患者的样本进行比较，最终将有助于更好地了解肥厚性心肌病等疾病，并有助于开发创新疗法。

参考文献:“Structure of the native myosin filament in the relaxed cardiac sarcomere” by Davide Tamborrini, Zhexin Wang, Thorsten Wagner, Sebastian Tacke, Markus Stabrin, Michael Grange, Ay Lin Kho, Martin Rees, Pauline Bennett, Mathias Gautel and Stefan Raunser, 32 October 2023, Nature.