Nature：重大进展！首次构建出心脏肌节中的粗丝在天然环境中的三维结构图

在一项新的研究中，德国马克斯-普朗克分子生理学研究所主任Stefan Raunser领导的一个国际研究小组与英国伦敦国王学院的Mathias Gautel合作，利用一种名为低温电镜断层成像技术（electron cryo-tomography, cryo-ET）的前沿技术，在世界上成功获得了粗丝（thick protein filament，也称为粗蛋白丝，粗肌丝）在天然细胞环境中的首张高分辨率三维图像。这使人们得以一窥粗丝内部的分子分布和成分排列。这一新发现是理解肌肉在健康和疾病状态下如何运作的重要框架。相关研究结果于2023年11月1日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Structure of the native myosin filament in the relaxed cardiac sarcomere”。

人类的心脏通常被描述为身体的发动机，它是一个非凡的器官，不知疲倦地跳动着，维持着我们的生命。在这个重要器官的核心部位，心脏收缩时会发生复杂的过程，在那里，粗丝和细丝（thin protein filament，也称为细蛋白丝，细肌丝）在肌节（sarcomere）内相互作用，而肌节是骨骼肌和心肌细胞的基本组成部分。粗丝蛋白的任何变化都会对我们的健康造成严重影响，导致肥厚型心肌病和其他多种心脏疾病和肌肉疾病。

心房颤动、心力衰竭和中风-肥厚性心肌病可导致许多严重的健康问题，也是35岁以下人群心源性猝死的主要原因。Raunser 说，“心肌是人体的核心发动机。当然，如果了解了它的构造和功能，对出现故障的它进行修复就容易多了。在肌肉研究的初期，我们已成功地利用低温电镜观察到了这些肌肉基本组成成分的结构以及它们之间的相互作用。然而，这些都是从活细胞中提取的蛋白的静态图像。它们只能告诉我们肌肉成分的高度可变性和动态相互作用如何使肌肉在天然环境中运动。”

通过粗丝和细丝

骨骼肌和心肌的收缩是通过肌节中两种平行蛋白丝的相互作用实现的：细丝和粗丝。肌节被细分为几个称为区（zone）和带（band）的区域，在这些区域中，这些蛋白丝以不同的方式排列。细丝由 F-肌动蛋白（F-actin）、肌钙蛋白（troponin）、原肌球蛋白（tropomyosin）和伴肌动蛋白（nebulin）组成。粗丝由肌球蛋白（myosin）、肌联蛋白（titin）和肌球蛋白结合蛋白 C（myosin binding protein C, MyBP-C）组成。MyBP-C可在粗丝和细丝之间形成连接，而所谓的马达蛋白肌球蛋白则与细丝相互作用，产生力量和肌肉收缩。这些粗丝蛋白的变化与肌肉疾病有关。对粗丝的详细描述对于制定治疗这些疾病的策略极为重要，但迄今为止还没有这方面的研究。

Raunser说，“如果想充分了解肌肉在分子水平上的工作原理，就需要描绘出肌肉的组成成分在天然环境中的情况---这是当今生物学研究中最大的挑战之一，传统的实验方法无法解决这个问题。”为了克服这一障碍，他的团队开发了一种cryo-ET工作流程，专门用于研究肌肉样本：他们将Mathias Gautel团队制作的哺乳动物心肌样本在极低的温度（- 175 °C）下进行速冻。这就保留了它们的水合作用和精细结构，从而保持了它们的天然状态。然后，使用聚焦离子束（FIB 铣削）将这些肌肉样本削薄至透射电子显微镜所需的理想厚度（约 100 纳米）。最后，通过计算方法重建高分辨率的三维图像。

cMyBP-C在粗丝和细丝之间形成连接。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06690-5。

近年来，Raunser团队成功应用了这种定制的工作流程，最近发表了两篇突破性的论文：他们首次绘制了肌节的高分辨率图像，并绘制了一种迄今尚不清楚的肌肉蛋白---伴肌动蛋白---的高分辨率图像。这两项研究为我们提供了前所未有的关于肌节中肌肉蛋白三维组装的见解，例如肌球蛋白如何与肌动蛋白结合以控制肌肉收缩，以及伴肌动蛋白如何与肌动蛋白结合以稳定它并决定它的长度。

完成图像绘制

在这项新的研究中，这些作者首次绘制了横跨肌节多个区域的心脏粗丝的高分辨率图像。论文第一作者、马克斯-普朗克分子生理学研究所的Davide Tamborrini说，“500 纳米的长度是迄今为止通过cryo-ET解析的最长、最大的结构。”更令人印象深刻的是，他们对粗丝的分子结构及其功能有了新的认识。肌球蛋白分子的排列取决于它们在粗丝中的位置。他们猜测，这使得粗丝能够感知并处理众多肌肉调节信号，从而根据肌节区域调节肌肉收缩的强度。他们还揭示了肌联蛋白链是如何沿着粗丝运动的。肌联蛋白链与肌球蛋白交织在一起，作为肌球蛋白组装的支架，并可能协调肌节的长度依赖性激活。

Raunser说，“我们的目标是有一天绘制出肌节的完整图像。在这项新的研究中，粗丝的图像只是肌肉放松状态下的快照。为了充分了解肌节的功能和调控机制，我们想分析不同状态下的肌节，例如收缩时的肌节。与肌肉疾病患者的肌肉样本进行比较，最终将有助于更好地了解肥厚性心肌病等疾病，并有助于开发创新疗法。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Davide Tamborrini et al. Structure of the native myosin filament in the relaxed cardiac sarcomere. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06690-5.

First high-resolution image of thick filaments of muscle cells
https://www.mpg.de/21017835/1030-moph-breakthrough-discovery-sheds-light-on-heart-and-muscle-health-151445-x