Молекулярный механизм активации растяжением в мышцах насекомых

Летающие насекомые — одни из самых успешных видов на планете. Полет требует больших энергозатрат, и многие насекомые нашли способ снизить их с помощью процесса "активации растяжением". При этом нервная стимуляция лишь поддерживает постоянный низкий уровень кальция, а мышцы "включаются" при их растяжении антагонистическими мышцами. Хотя это явление известно с 1960-х годов, его механистическое объяснение оставалось неуловимым.

Исследования на синхротронном рентгеновском источнике Bio-CAT в Advanced Photon Source (APS) Министерства энергетики США сделали важный шаг к полному объяснению активации растяжением, которая также играет ключевую роль в сокращении и расширении сердечной мышцы млекопитающих.

В сердечной мышце, когда сокращение одной части ткани растягивает соседнюю, это активирует её, что приводит к мощному сокращению в конце систолы. Однако сердечная мышца менее организована, чем почти кристаллическая структура мышц насекомых, что затрудняет её изучение. Дифракционные картины мышц насекомых имеют четкие сигнатуры, указывающие на связывание силовых кроссбриджей (миозиновых головок) с актиновыми сайтами, что делает их идеальной моделью для изучения.

Эксперименты в Bio-CAT — результат сотрудничества групп Майкла Риди (Университет Дьюка), Томаса Ирвинга (Иллинойсский технологический институт) и исследователей из Университета штата Флорида, Исследовательского института Скриппса и Европейской лаборатории молекулярной биологии. С помощью нового детектора Pilatus 100K ученые записали двумерные рентгеновские дифракционные фильмы (с временным разрешением 16 мс) изолированной летательной мышцы водяного клопа Lethocerus indicus во время синусоидальных колебаний длины, имитирующих цикл взмаха крыла in vivo.

Полный анализ данных займет время, но уже получено достаточно информации для предложения всеобъемлющей структурной модели активации растяжением. Выявлены связи между толстыми и тонкими филаментами на уровне тропонинов — белков, которые обычно включают и выключают тонкий филамент, связывая кальций. При наличии кальция эти связи могут активировать тонкий филамент, передавая напряжение от толстых филаментов к тропонинам. Эти долгоживущие связи, по-видимому, образованы теми же миозиновыми головками, которые связываются с актином в так называемых таргетных зонах для генерации силы.

Напряжение в тропонине, вероятно, изменяет его взаимодействие с другим белком — тропомиозином, позволяя этому длинному актин-блокирующему белку сместиться и открыть сайты связывания на актине для силовых миозиновых головок.

Одновременно толстые (миозиновые) филаменты скручиваются в ответ на пассивное растяжение, а тонкие (актиновые) филаменты удлиняются. В результате больше миозиновых головок попадает в зону досягаемости таргетных зон во время растяжения мышцы, что ускоряет их связывание с актином и повышает эффективность генерации силы.

Новые данные и модель объединяют множество идей и предлагают проверяемую гипотезу для объяснения активации растяжением. Этот проект, решающий давнюю загадку, вызвал большой интерес в сообществе биофизиков мышц. Кен Холмс из Гейдельбергского университета отметил, что группе Риди наконец удалось провести эксперимент с мышцами насекомых, о котором мечтали при внедрении синхротронного излучения для рентгеновской дифракции 40 лет назад (Nature 230, 434 [1971]).