Сердечная мышца — это центральный двигатель человеческого организма. Конечно, легче починить сломанный двигатель, если знаешь, как он устроен и как функционирует, — говорит Штефан Раунсер.

В начале наших исследований мышечной ткани мы успешно визуализировали структуру основных строительных блоков мышцы и их взаимодействие с помощью электронной криомикроскопии. Однако это были статичные изображения белков, взятых из живой клетки. Они мало что говорят нам о том, как динамическое взаимодействие компонентов мышцы, отличающееся высокой изменчивостью, приводит мышцу в движение в ее естественной среде.

Через толстые и тонкие слои

Скелетные и сердечные мышцы сокращаются при взаимодействии двух типов параллельных белковых филаментов в саркомере: тонких и толстых. Саркомер подразделяется на несколько областей, называемых зонами и полосами, в которых эти филаменты расположены по-разному. Тонкая нить состоит из F-актина, тропонина, тропомиозина и небулина.

Толстая нить образована миозином, титином и миозин-связывающим белком С (MyBP-C). Последний может образовывать связи между филаментами, в то время как миозин, так называемый моторный белок, взаимодействует с тонкой нитью, создавая силу и сокращение мышцы.

Изменения в белках толстой нити связаны с заболеваниями мышц. Детальное представление о толстом филаменте имело бы огромное значение для разработки терапевтических стратегий лечения этих заболеваний, однако до сих пор оно отсутствует.

Вехи в исследовании мышц

Если вы хотите полностью понять, как работает мышца на молекулярном уровне, вам необходимо представить ее компоненты в естественной среде — это одна из самых больших проблем в биологических исследованиях, которую сегодня невозможно решить с помощью традиционных экспериментальных подходов, — говорит Раунсер. Для преодоления этого препятствия его команда разработала технологию электронной криотомографии, специально предназначенную для исследования образцов мышц.

Ученые замораживают образцы сердечной мышцы млекопитающих, изготовленные группой Gautel в Лондоне, при очень низкой температуре (- 175 °C). Это позволяет сохранить их гидратацию и тонкую структуру, а значит, и нативное состояние. Затем с помощью сфокусированного ионного пучка (FIB-фрезерования) образцы истончаются до идеальной толщины около 100 нанометров для просвечивающего электронного микроскопа, который получает множество изображений при наклоне образца вдоль оси. Наконец, вычислительные методы восстанавливают трехмерное изображение с высоким разрешением.

В последние годы группа Раунсера успешно применяет адаптированную схему работы, результатом чего стали две новаторские публикации: В них впервые получены изображения высокого разрешения саркомера и до сих пор неясного мышечного белка небулина. Оба исследования позволяют получить беспрецедентное представление о трехмерной организации мышечных белков в саркомере, например, о том, как миозин связывается с актином для управления сокращением мышцы, и как небулин связывается с актином для его стабилизации и определения его длины.

Завершение картины

В своем исследовании ученые впервые получили изображение с высоким разрешением толстой нити сердечной мышцы, протянувшейся через несколько участков саркомера.

При длине 500 нм это самая длинная и большая структура, когда-либо разрешенная с помощью крио-ЭТ, — говорит Давиде Тамборрини из MPI Дортмунда, первый автор исследования. Еще более впечатляющими являются новые сведения о молекулярной организации толстой нити и, следовательно, о ее функции.

Расположение молекул миозина зависит от их положения в филаменте. Ученые предполагают, что это позволяет толстой нити воспринимать и обрабатывать многочисленные сигналы, регулирующие работу мышц, и таким образом регулировать силу мышечного сокращения в зависимости от участка саркомера. Они также выяснили, как цепи титина проходят вдоль филамента. Цепи титина переплетаются с миозином, выступая в качестве каркаса для его сборки и, вероятно, организуя активацию саркомера в зависимости от его длины.

Наша цель — когда-нибудь нарисовать полную картину саркомера. Изображение толстой нити, полученное в данном исследовании, — это «всего лишь» снимок в расслабленном состоянии мышцы. Чтобы полностью понять, как функционирует саркомер и как он регулируется, мы хотим проанализировать его в различных состояниях, например, во время сокращения, — говорит Раунсер.

Сравнение с образцами, полученными у пациентов с мышечными заболеваниями, в конечном итоге будет способствовать лучшему пониманию таких заболеваний, как гипертрофическая кардиомиопатия, и разработке инновационных методов лечения.