Учёные впервые получили реалистичное 3D-изображение толстой нити сердечной мышцы млекопитающих
Гипертрофическая кардиомиопатия может приводить к серьёзным состояниям, включая фибрилляцию предсердий, сердечную недостаточность, инсульт, и является основной причиной внезапной сердечной смерти у людей младше 35 лет.
Проблема и цель исследования
Сердечная мышца — центральный двигатель организма. Для понимания её работы и "ремонта" необходимо знать её строение и функцию на молекулярном уровне. Ранее учёные успешно визуализировали структуру основных мышечных белков с помощью криоэлектронной микроскопии, но это были статичные изображения белков вне живой клетки. Они мало говорят о динамическом взаимодействии компонентов мышцы в её естественной среде.
Сокращение скелетных и сердечных мышц происходит при взаимодействии двух типов параллельных белковых нитей в саркомере: тонких и толстых.
- Тонкая нить состоит из F-актина, тропонина, тропомиозина и небулина.
- Толстая нить образована миозином, титином и C-белком, связывающим миозин (MyBP-C). MyBP-C может образовывать связи между нитями, а миозин (моторный белок) взаимодействует с тонкой нитью, генерируя силу и вызывая сокращение.
Изменения в белках толстой нити связаны с мышечными заболеваниями. Детальная картина её строения имеет огромное значение для разработки терапевтических стратегий, но до сих пор отсутствовала.
Метод: криоэлектронная томография
Чтобы преодолеть препятствия, команда разработала специальный рабочий процесс криоэлектронной томографии для исследования образцов мышц:
- Мгновенная заморозка образцов сердечной мышцы млекопитающих при –175 °C для сохранения их естественного состояния.
- Ионно-лучевое истончение (FIB milling) образцов до идеальной толщины ~100 нанометров.
- Получение изображений с помощью просвечивающего электронного микроскопа при наклоне образца.
- Вычислительная реконструкция трёхмерной картины с высоким разрешением.
Ранее с помощью этого метода были получены первые изображения саркомера с высоким разрешением и неясного ранее мышечного белка небулина.
Результаты и значение
В текущем исследовании учёные впервые получили высокодетальное изображение сердечной толстой нити, протянувшейся через несколько областей саркомера.
- Это самая длинная и большая структура (500 нм), когда-либо разрешённая методом крио-ET.
- Расположение молекул миозина в нити зависит от их позиции. Учёные предполагают, что это позволяет толстой нити воспринимать и обрабатывать многочисленные регулирующие сигналы и, таким образом, регулировать силу мышечного сокращения в зависимости от области саркомера.
- Также было показано, как цепи титина проходят вдоль нити. Они переплетаются с миозином, выступая в роли каркаса для его сборки и, вероятно, координируя активацию саркомера в зависимости от длины.
Цель — составить полную картину саркомера. Полученное изображение толстой нити — это "всего лишь" снимок в расслабленном состоянии мышцы. Для полного понимания функции и регуляции саркомера необходимо проанализировать его в разных состояниях, например, во время сокращения. Сравнение с образцами от пациентов с мышечными заболеваниями в конечном итоге будет способствовать лучшему пониманию таких болезней, как гипертрофическая кардиомиопатия, и разработке новых методов лечения.
Исследование опубликовано в журнале Nature.