《Nature》肌肉研究里程碑：首個高清粗肌絲三維組織

心房顫動、心力衰竭和中風——肥厚性心肌病可導致許多嚴重的健康狀況，是35歲以下人群心臟性猝死的主要原因。心肌是人體的中樞引擎。當然，如果你知道一個壞了的引擎是如何制造和運作的，那么修理它就容易多了。在我們肌肉研究的開始，我們已經成功地可視化了基本肌肉構建塊的結構，以及它們如何使用電子冷凍顯微鏡相互作用。然而，這些是從活細胞中提取的蛋白質的靜態圖像。他們只告訴我們很少關于肌肉成分的高度可變的，動態的相互作用是如何在其自然環境中運動肌肉的。

從粗到細

骨骼肌和心肌在肌節中兩種平行蛋白絲的相互作用下收縮:薄的和厚的。肌節被細分為幾個區域，稱為區和帶，其中這些纖維以不同的方式排列。細絲由F-肌動蛋白、肌鈣蛋白、原肌球蛋白和星云蛋白組成。粗絲由肌球蛋白、粗絲連接蛋白和肌球蛋白結合蛋白C (MyBP-C)組成。后者可以在細絲之間形成連接，而肌球蛋白，即所謂的運動蛋白，與細絲相互作用，產生力量和肌肉收縮。粗絲蛋白的改變與肌肉疾病有關。厚纖維的詳細圖像對于開發治療這些疾病的治療策略非常重要，但到目前為止還沒有。

肌肉研究的里程碑

“如果你想在分子水平上完全理解肌肉是如何工作的，你需要描繪出它在自然環境中的組成部分——這是當今生物研究中最大的挑戰之一，傳統的實驗方法無法解決，”Raunser說。

為了克服這一障礙，他的團隊開發了一種專門針對肌肉樣本調查的電子冷凍斷層掃描工作流程:科學家們在極低的溫度(- 175°C)下快速冷凍由倫敦Gautel集團生產的哺乳動物心肌樣本。這保持了它們的水合作用和精細結構，從而保持了它們的天然狀態。然后應用聚焦離子束(FIB銑削)將樣品削薄至約100納米的理想厚度，用于透射電子顯微鏡，當樣品沿軸傾斜時，透射電子顯微鏡獲得多幅圖像。最后，用計算方法重建高分辨率的三維圖像。近年來，Raunser的團隊成功地應用了定制的工作流程，并在最近發表了兩篇突破性的論文:他們制作了第一張高分辨率的肌肉節圖像，以及迄今為止名為星云蛋白的朦朧肌肉蛋白的圖像。這兩項研究都為肌節中肌肉蛋白的三維組織提供了前所未有的見解，例如肌球蛋白如何與肌動蛋白結合以控制肌肉收縮，以及星云蛋白如何與肌動蛋白結合以穩定肌動蛋白并確定其長度。

完成繪畫

在他們目前的研究中，科學家們制作了第一張高分辨率圖像，顯示了跨越肌節幾個區域的心臟粗絲。該研究的第一作者、來自多特蒙德MPI的Davide Tamborrini說:“500納米的長度是冷凍電鏡有史以來最長、最大的結構。”更令人印象深刻的是新獲得的對粗絲分子組織的見解，從而了解其功能。肌球蛋白分子的排列取決于它們在絲中的位置。科學家們懷疑，這使得粗纖維能夠感知和處理大量的肌肉調節信號，從而根據肌節區域調節肌肉收縮的強度。他們還揭示了粗絲連接蛋白鏈是如何沿著絲狀結構運行的。肌球蛋白鏈與肌球蛋白交織在一起，作為肌球蛋白組裝的支架，并可能協調肌節的長度依賴性激活。

“我們的目標是有一天繪制出肌節的完整圖像。在這項研究中，粗纖維的圖像只是肌肉放松狀態下的快照。為了充分了解肌節的功能和調控機制，我們想分析不同狀態下的肌節，例如收縮時的肌節。與肌肉疾病患者的樣本進行比較，最終將有助于更好地了解肥厚性心肌病等疾病，并有助于開發創新療法。