Atrijalna fibrilacija, srčana insuficijencija i moždani udar—hipertrofična kardiomiopatija može dovesti do mnogih ozbiljnih zdravstvenih stanja i glavni je uzrok iznenadne srčane smrti kod ljudi mlađih od 35 godina.
„Srčani mišić je centralni motor ljudskog tela. Naravno, lakše je popraviti pokvareni motor, ako znate kako je izgrađen i kako funkcioniše“, kaže Stefan Raunser.
„Na početku našeg istraživanja mišića uspešno smo vizualizovali strukturu osnovnih mišićnih građevinskih blokova i njihovu interakciju koristeći elektronsku kriomikroskopiju. Međutim, to su bile statične slike proteina izvađenih iz žive ćelije. Oni nam samo malo govore o tome kako veoma varijabilna, dinamična interakcija mišićnih komponenti pokreće mišiće u njegovom prirodnom okruženju“, kaže Raunser.
Skeletni i srčani mišići se kontrahuju pri interakciji dve vrste paralelnih proteinskih filamenata u sarkomeru: tankih i debelih. Sarkomer je podeljen na nekoliko regiona, nazvanih zonama i trakama, u kojima su ovi filamenti raspoređeni na različite načine. Tanak filament se sastoji od F-aktina, troponina, tropomiozina i nebulina.
Debeli filament je formiran od miozina, titina i proteina C koji vezuje miozin (MiBP-C). Potonji mogu da formiraju veze između filamenata, dok miozin, takozvani motorni protein, interaguje sa tankim filamentom da bi stvorio silu i kontrakciju mišića. Promene u proteinima debelih filamenata su povezane sa bolestima mišića. Detaljna slika debelog filamenta bila bi od ogromnog značaja za razvoj terapijskih strategija za lečenje ovih bolesti, ali do sada je nedostajala. 3D struktura sarkomera koja pokazuje debele (ljubičaste) i tanke (zelene) filamente. Zasluge: MPI molekularne fiziologije
„Ako želite da u potpunosti razumete kako mišić funkcioniše na molekularnom nivou, morate da zamislite njegove komponente u njihovom prirodnom okruženju – jedan od najvećih izazova u biološkim istraživanjima današnjice koji se ne može rešiti tradicionalnim eksperimentalnim pristupima“, kaže Raunser.
Da bi prevazišao ovu prepreku, njegov tim je razvio radni tok elektronske kriotomografije posebno prilagođen za ispitivanje uzoraka mišića: naučnici su zamrznuli uzorke srčanog mišića sisara, koje je proizvela grupa Gautel u Londonu, na veoma niskoj temperaturi (–175 °C). ).
Ovo čuva njihovu hidrataciju i finu strukturu, a time i njihovo izvorno stanje. Fokusirani jonski snop (FIB mlevenje) se zatim primenjuje da bi se uzorci istanjili do idealne debljine od oko 100 nanometara za transmisioni elektronski mikroskop, koji dobija više slika dok se uzorak naginje duž ose.
Konačno, računarske metode rekonstruišu trodimenzionalnu sliku u visokoj rezoluciji. Poslednjih godina, Raunserova grupa je uspešno primenila prilagođeni radni tok, što je rezultiralo dvema nedavnim revolucionarnim publikacijama: Oni su proizveli prve slike sarkomera visoke rezolucije i do sada nebuloznog mišićnog proteina zvanog nebulin.
Obe studije pružaju uvid bez presedana u 3D organizaciju mišićnih proteina u sarkomeru, npr. g. kako se miozin vezuje za aktin da kontroliše kontrakciju mišića i kako se nebulin vezuje za aktin da bi ga stabilizovao i odredio njegovu dužinu.
U svojoj trenutnoj studiji, naučnici su napravili prvu sliku visoke rezolucije srčanog debelog filamenta koji se proteže kroz nekoliko regiona u sarkomeru.
„Sa dužinom od 500 nm ovo čini najdužu i najveću strukturu koju je ikada rešio krio-ET“, kaže Davide Tamborrini iz MPI Dortmund, prvi autor studije. Još impresivniji su novostečeni uvidi u molekularnu organizaciju debelog filamenta, a time i u njegovu funkciju. Raspored molekula miozina zavisi od njihovog položaja u filamentu.
Naučnici sumnjaju da to omogućava debelom filamentu da oseti i obradi brojne signale koji regulišu mišiće i tako reguliše snagu mišićne kontrakcije u zavisnosti od regiona sarkomera. Takođe su otkrili kako titinski lanci prolaze duž filamenta. Lanci titina se prepliću sa miozinom, delujući kao skela za njegovo sklapanje i verovatno orkestrirajući aktivaciju sarkomera u zavisnosti od dužine.
„Naš cilj je da jednog dana naslikamo kompletnu sliku sarkomera. Slika debelog filamenta u ovoj studiji je ‘samo’ snimak u opuštenom stanju mišića. Da u potpunosti razumemo kako sarkomer funkcioniše i kako je regulisan , želimo da ga analiziramo u različitim stanjima, na primer, tokom kontrakcije“, kaže Raunser. Poređenje sa uzorcima pacijenata sa mišićnim oboljenjem će na kraju doprineti boljem razumevanju bolesti poput hipertrofične kardiomiopatije i razvoju inovativnih terapija.
