Med nye billeddannelsesteknikker med høj opløsning har MDC-forskere og kolleger fulgt Titin, kroppens største protein, i realtid gennem hele dets livscyklus. Metoden og resultaterne kan give ny indsigt i muskeludvikling samt behandling af beskadigede muskler og hjertesygdomme.
Som de funklende lys oplyser juletiden, jubler Max Delbrück Center for Molekylær Medicin-forskere over røde og grønne lys af en helt anden grund. Ved hjælp af farverige sonder har et hold fulgt hele livscyklussen for titin, kroppens største protein, som er kendt for at spille en nøglerolle i muskelvæv. Ved at observere titin fra syntese til nedbrydning har man fået et nyt indblik i dannelsen af sarkomerer, de vigtigste kontraktile enheder i hjerte- og skeletmuskulaturen.
Titin er et så stort molekyle, at dets analyse giver unikke udfordringer. Holdet fastgjorde røde og grønne fluorescerende tags til modsatte ender af proteinet, hvilket gjorde det muligt for dem at observere titins præcise bevægelser i muskelceller, der stammer fra musens hjerte, kaldet kardiomyocytter.
“Kardiomyocytter er højt specialiserede og kan ikke springe et slag over,” siger Michael Gotthardt, der leder MDC’s Neuromuskulære og Kardiovaskulære Cell Biology Lab og stod i spidsen for forskningen. “Vi kan se, hvordan titin fremstilles og indsættes i myofilamentet, mens alting stadig fungerer. Det er smukt at se.”
Selvfølgelig er det ikke bare et kønt billede
Den indsigt, der opnås ved at kunne se titin i realtid, er vigtig. Titin har længe været antaget at være den stive rygrad i sarkomerer, de grundlæggende funktionelle segmenter i hjerte- og skeletmuskler, der udvider og trækker sig sammen. Det viser sig, at titin er meget mere dynamisk end tidligere antaget, sagde Gotthardt.
Hjertemuskelceller ser ud til at have en pulje af opløseligt titin spredt ud over hele sarkomeren, klar til at erstatte proteiner, der er beskadiget i den gentagne proces med muskeludvidelse og -kontraktion. Overbelastede proteiner flyttes ud af cellerne og nedbrydes derefter. Alt dette sker i løbet af et par timer, hvilket lyder hurtigt, men er faktisk meget længere tid end for ethvert andet sarkomerisk protein.
Den store mængde titin, der ligger uden for sarkomeren, var som en overraskelse, der blev set for første gang takket være den nye genetiske musemodel og billeddannelsesteknik, sagde Gotthardt. Et andet uventet fund var den mangfoldighed af titinmolekyler, kaldet isoformer, der blev observeret. Hurtigere bevægende proteiner er sandsynligvis forskellige isoformer end langsommere bevægende proteiner.
“Dette er et kig på det virkelige liv i sarkomeren”, sagde Gotthardt. “Vi kan forstå dannelsen og remodelleringen af myofilamentstrukturen, hvilket har relevans for menneskelig sygdom og udvikling.”
Potentielle anvendelser
De fluorescerende prober kan hjælpe forskerne med at undersøge, hvordan musklerne genopbygger sig selv efter træning, eller hvordan hjertemusklerne remodelleres efter et hjerteanfald. De kan også hjælpe med at forstå hjertesygdomme, der er forbundet med mutationer i andre sarkomeriske proteiner, sagde Franziska Rudolph, førsteforfatter af artiklen.
“Det er fantastisk at følge endogene titinvarianter i realtid fra start til slut”, sagde Rudolph. “Der er så mange eksperimenter mulige med disse musemodeller og forskellige billeddannelsesteknikker.”
For eksempel kan teknikken potentielt bruges til at spore implanterede celler for at se, hvor godt de integrerer sig med den oprindelige muskelfiber, og om de forbinder sig korrekt med deres nye naboer for at arbejde som en enhed eller ej. En sådan indsigt kunne vise, om cellebaserede terapier er effektive.
Validering af de nye værktøjer og etablering af metoder til billedanalyse var en udfordring og krævede et samarbejde med kolleger fra MDC’s Berlin Institute for Medical Systems Biology, University Medical Center Göttingen og University of Arizona. Holdet arbejdede hårdt for at vise, hvordan de fluorescerende proteiner, som er genetisk genereret, ikke havde nogen uventede bivirkninger på muskel- eller titinudvikling og -funktion.
MDC-forskerne fortsætter med at undersøge titin med de nye værktøjer, herunder hvordan skeletmuskler reagerer på motion.
Reference
Rudolph et al. (2019) Resolving titin’s lifecycle and the spatial organization of protein turnover in mouse cardiomyocytes. PNAS. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1904385116
Denne artikel er blevet genudgivet fra følgende materialer. Bemærk: materialet kan være blevet redigeret for længde og indhold. For yderligere oplysninger, kontakt venligst den citerede kilde.