【Nature】科学家首次拍摄了哺乳动物心脏肌肉粗细丝的真实3D图像

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图1：基于结构低温电子断层扫描数据的心脏肌节中相互作用的粗丝和细丝的图示。Credit: MPI of Molecular Physiology

心房颤动、心力衰竭和卒中肥厚型心肌病可导致许多严重的健康状况，是35岁以下人群心源性猝死的主要原因。

德国多特蒙德马普分子生理学研究所结构生物化学系的Stefan Raunser教授说“心肌是人体的核心引擎。当然，如果你知道引擎是如何构建的，以及它是如何工作的，那么修复一个损坏的引擎就更容易了。在我们的肌肉研究开始时，我们成功地用电子冷冻显微镜观察了基本肌肉构建块的结构以及它们如何相互作用的。然而，这些是从活细胞中取出的蛋白质的静态图像，这些图像无法告诉我们肌肉成分高度可变的动态相互作用，以及如何在其自然环境中移动肌肉。”

骨骼肌和心脏肌收缩在肌节中两种类型的平行蛋白质丝的相互作用上: 细和粗。肌节被细分为几个区域，称为区和带，其中这些细丝以不同的方式排列。细丝由 F- 肌动蛋白、肌钙蛋白、原肌球蛋白和星云蛋白组成。粗丝由肌球蛋白、蒂蛋白和肌球蛋白结合蛋白C（MyBP -C）组成。后者可以在细丝之间形成连接，而肌球蛋白，即所谓的运动蛋白，与细丝相互作用产生力和肌肉收缩。粗丝蛋白的改变与肌肉疾病相关。对于开发治疗这些疾病的治疗策略来说，细致的细丝图片将是非常重要的，但迄今为止一直缺失。

肌肉研究的里程碑

Raunser教授说：“如果你想完全了解肌肉在分子水平上是如何工作的，你需要想象一下它在自然环境中的成分——这是当今生物研究中最大的挑战之一，传统的实验方法是无法解决的。”

为了克服这一障碍，Raunser教授的团队开发了专门针对肌肉样本研究的电子冷冻断层摄影工作流程：科学家在极低的温度（- 175 ℃）下，对伦敦Gautel集团生产的哺乳动物心肌样品进行速冻。这将保持它们的水合作用和精细结构，从而保持它们的天然状态。然后将聚焦离子束（FIB铣削）用于将样品稀释至约100纳米的理想厚度，用于透射电子显微镜，其在样品沿轴倾斜时获取多个图像。最后，计算方法在高分辨率下重建三维图像。

近年来，Raunser教授的团队成功地应用了定制工作流程，产生了两个最新的突破性的成果：他们制作了首张高分辨率的肌节和迄今为止称为星云蛋白的星云蛋白质图像。

这两项研究为肌节中肌肉蛋白的三维组织提供了前所未有的见解。肌球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。

完成“画作”

在他们当前的研究中，科学家们制作了心脏粗丝的第一张高分辨率图像，横跨肌节中的几个区域。

该研究的第一作者DavideTamborrini说：“500纳米长，这是有史以来由低温ET解决的最长和最大的结构。”更令人印象深刻的是新近获得的对粗丝分子结构的洞察力，从而对其功能的洞察力。肌球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厚丝能够感知并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链是如何沿着细丝运行的。Titin链与肌球蛋白相互缠绕，充当其组装的支架，并且可能协调肌节的长度依赖性激活。

研究团队的目标是有一天绘制一幅完整的肌肉图片。本研究中的粗细丝图像仅为肌肉松弛状态的快照。

为了充分了解肌节的功能和调节方式，研究团队想分析不同状态下的肌节，例如收缩时的肌节。并与来自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开发创新疗法。

这项研究工作于11月1日发表在《自然》杂志上。

参考资料：

1.https://www.nature.com/articles/s41586-023-06690-5

2.https://phys.org/news/2023-11-scientists-true-to-life-3d-image-thick.html