Ludzkie serce, często określane jako silnik organizmu, to niezwykły organ, który bije niestrudzenie, aby utrzymać nas przy życiu. W rdzeniu tego ważnego narządu podczas jego kurczenia zachodzą skomplikowane procesy, podczas których grube i cienkie włókna białkowe oddziałują na siebie w obrębie sarkomerów, podstawowego budulca komórek mięśni szkieletowych i serca. Wszelkie zmiany w białkach o grubych włóknach mogą mieć poważne konsekwencje dla naszego zdrowia, prowadząc do takich schorzeń, jak kardiomiopatia przerostowa i różne inne choroby serca i mięśni.
Międzynarodowy zespół kierowany przez Stefana Raunsera, dyrektora Instytutu Fizjologii Molekularnej im. Maxa Plancka w Dortmundzie, we współpracy z Mathiasem Gautelem z King’s College w Londynie, dokonał niezwykłego osiągnięcia naukowego. Udało im się uzyskać pierwszy na świecie obraz 3D o wysokiej rozdzielczości grubego włókna w jego naturalnym środowisku komórkowym, wykorzystując najnowocześniejszą technikę znaną jako kriotomografia elektronowa. To bezprecedensowe osiągnięcie daje wgląd w organizację molekularną i rozmieszczenie składników grubego włókna. To nowo odkryte odkrycie stanowi po prostu kluczową podstawę do zrozumienia, w jaki sposób mięśnie działają zarówno w zdrowiu, jak i chorobie. Rozumiejąc zawiłe mechanizmy, naukowcy są teraz lepiej przygotowani do opracowywania innowacyjnych podejść farmakologicznych i metod leczenia, które mogą być ukierunkowane na choroby serca i mięśni, potencjalnie rewolucjonizując interwencje medyczne w tych obszarach.
Migotanie przedsionków, niewydolność serca i udar – kardiomiopatia przerostowa może prowadzić do wielu poważnych schorzeń i jest główną przyczyną nagłej śmierci sercowej u osób w wieku poniżej 35 lat. „Mięsień sercowy jest centralnym silnikiem ludzkiego ciała. Oczywiście, to łatwiej jest naprawić zepsuty silnik, jeśli wiesz, jak jest zbudowany i jak działa” – mówi Stefan Raunser. „Na początku naszych badań nad mięśniami z powodzeniem zwizualizowaliśmy strukturę podstawowych cegiełek budulcowych mięśni i ich wzajemne oddziaływanie za pomocą kriomikroskopii elektronowej. Były to jednak statyczne obrazy białek pobranych z żywej komórki. Mówią nam one tylko niewiele o tym, jak bardzo zmienna, dynamiczna interakcja składników mięśni porusza mięśnie w ich naturalnym środowisku” – mówi Raunser.
W szczęściu i w nieszczęściu
Mięśnie szkieletowe i sercowe kurczą się w wyniku interakcji dwóch rodzajów równoległych włókien białkowych w sarkomerze: cienkich i grubych. Sarkomer jest podzielony na kilka obszarów, zwanych strefami i pasmami, w których włókna te są ułożone na różne sposoby. Cienkie włókno składa się z F-aktyny, troponiny, tropomiozyny i nebuliny. Grube włókno składa się z miozyny, tytyny i białka wiążącego miozynę C (MyBP-C). To ostatnie może tworzyć połączenia między włóknami, podczas gdy miozyna, tak zwane białko motoryczne, oddziałuje z cienkim włóknem, wytwarzając siłę i skurcz mięśni. Zmiany w białkach grubych włókien są związane z chorobami mięśni. Szczegółowy obraz grubego włókna miałby ogromne znaczenie dla opracowania strategii terapeutycznych w leczeniu tych chorób, ale jak dotąd go nie udało się uzyskać.
Kamienie milowe w badaniach nad mięśniami
„Jeśli chcesz w pełni zrozumieć, jak działa mięsień na poziomie molekularnym, musisz wyobrazić sobie jego składniki w ich naturalnym środowisku – jest to jedno z największych wyzwań współczesnych badań biologicznych, któremu nie można sprostać tradycyjnymi metodami eksperymentalnymi” – mówi Raunser. Aby pokonać tę przeszkodę, jego zespół opracował procedurę kriotomografii elektronowej specjalnie dostosowaną do badania próbek mięśni: Naukowcy zamrażają błyskawicznie próbki mięśnia sercowego ssaków, wyprodukowane przez grupę Gautel w Londynie, w bardzo niskiej temperaturze (-175°C) ). Zachowuje to ich nawilżenie i delikatną strukturę, a tym samym ich stan natywny. Następnie stosuje się skupioną wiązkę jonów (mielenie FIB) w celu rozrzedzenia próbek do idealnej grubości około 100 nanometrów dla transmisyjnego mikroskopu elektronowego, który rejestruje wiele obrazów w miarę pochylania próbki wzdłuż osi. Wreszcie metody obliczeniowe rekonstruują trójwymiarowy obraz w wysokiej rozdzielczości. W ostatnich latach grupa Raunsera z powodzeniem zastosowała dostosowany tok pracy, co zaowocowało dwiema przełomowymi publikacjami: Uzyskano pierwsze obrazy sarkomeru i dotychczas mglistego białka mięśniowego zwanego nebuliną, w wysokiej rozdzielczości. Obydwa badania dostarczają bezprecedensowego wglądu w trójwymiarową organizację białek mięśniowych w sarkomerze, np. w jaki sposób miozyna wiąże się z aktyną, aby kontrolować skurcz mięśni, oraz w jaki sposób nebulina wiąże się z aktyną, aby ją ustabilizować i określić jej długość.
Dokończenie malowania
W ramach swoich bieżących badań naukowcy uzyskali pierwszy obraz o wysokiej rozdzielczości grubego włókna serca rozciągającego się na kilka obszarów sarkomeru. „Przy długości 500 nm jest to najdłuższa i największa struktura, jaką kiedykolwiek udało się uzyskać za pomocą krio-ET” – mówi Davide Tamborrini z MPI Dortmund, pierwszy autor badania. Jeszcze bardziej imponujące są nowo uzyskane informacje na temat organizacji molekularnej grubego włókna, a tym samym jego funkcji. Ułożenie cząsteczek miozyny zależy od ich położenia we włóknie. Naukowcy podejrzewają, że pozwala to grubemu włóknu wyczuwać i przetwarzać liczne sygnały regulujące mięśnie, a tym samym regulować siłę skurczu mięśni w zależności od regionu sarkomerów. Ujawnili także, w jaki sposób łańcuchy tytyny biegną wzdłuż włókna. Łańcuchy tytyny przeplatają się z miozyną, pełniąc rolę rusztowania dla jej złożenia i prawdopodobnie organizując zależną od długości aktywację sarkomeru.
„Naszym celem jest pewnego dnia namalowanie pełnego obrazu sarkomera. Obraz grubego włókna w tym badaniu to «jedynie» migawka stanu rozluźnionego mięśnia. Aby w pełni zrozumieć, jak funkcjonuje sarkomer i jak jest regulowany chcemy go analizować w różnych stanach, np. podczas skurczu” – mówi Raunser. Porównanie z próbkami pobranymi od pacjentów z chorobami mięśni ostatecznie przyczyni się do lepszego zrozumienia chorób takich jak kardiomiopatia przerostowa i opracowania innowacyjnych terapii.