MDC:n tutkijat ja kollegat ovat seuranneet kehon suurinta proteiinia titiinia reaaliajassa koko sen elinkaaren ajan käyttämällä uusia korkean resoluution kuvantamistekniikoita. Menetelmä ja tulokset voivat tarjota uutta tietoa lihasten kehityksestä sekä vaurioituneiden lihasten ja sydänsairauksien hoidosta.
Kun tuikkivat valot kirkastavat joulun aikaa, Max Delbrück Center for Molecular Medicine -tutkimuskeskuksen tutkijat iloitsevat punaisista ja vihreistä valoista aivan eri syystä. Ryhmä on seurannut värikkäiden koettimien avulla titiinin, kehon suurimman proteiinin, jolla tiedetään olevan keskeinen rooli lihaskudoksessa, koko elinkaarta. Titiinin tarkkailu synteesistä hajoamiseen on tarjonnut uutta tietoa sarkomeerien, sydän- ja luurankolihaksen tärkeimpien supistumisyksiköiden, muodostumisesta.
Titiini on niin suuri molekyyli, että sen analysointiin liittyy ainutlaatuisia haasteita. Ryhmä kiinnitti proteiinin vastakkaisiin päihin punaisia ja vihreitä fluoresoivia tunnisteita, minkä ansiosta he pystyivät tarkkailemaan titiinin tarkkoja liikkeitä hiiren sydämestä peräisin olevissa lihassoluissa, joita kutsutaan kardiomyosyyteiksi.
”Kardiomyosyytit ovat pitkälle erikoistuneita, eivätkä ne voi jättää sykettä väliin”, sanoo Michael Gotthardt, joka johtaa MDC:n neuromuskulaarisen ja kardiovaskulaarisen solubiologian laboratoriota ja joka on ollut tutkimuksen kärjessä. ”Voimme seurata, miten titiini valmistetaan ja asetetaan myofilamenttiin, kun kaikki vielä toimii. Se on kaunista katseltavaa.”
Ei vain kaunis kuva
Titiinin reaaliaikaisen tarkkailun ansiosta saatu näkemys on merkittävä. Titiinin on pitkään oletettu olevan sarkomeerien, sydän- ja luurankolihasten toiminnallisten perussegmenttien, jotka laajenevat ja supistuvat, jäykkä selkäranka. Kävi ilmi, että titiini on paljon dynaamisempi kuin aiemmin luultiin, Gotthardt sanoi.
Sydänlihassoluissa näyttää olevan koko sarkomeeriin levinnyt liukoisen titiinin varasto, joka on valmiina korvaamaan lihaksen laajenemisen ja supistumisen toistuvassa prosessissa vaurioituneita proteiineja. Ylikuormittuneet proteiinit siirtyvät ulos soluista ja hajoavat sitten. Kaikki tämä tapahtuu muutaman tunnin aikana, mikä kuulostaa nopealta, mutta on itse asiassa paljon pidempi aika kuin minkään muun sarkomeeriproteiinin kohdalla.
Sarkomeerin ulkopuolella sijaitsevan titiinin suuri määrä oli yllätys, joka nähtiin ensimmäistä kertaa uuden geneettisen hiirimallin ja kuvantamistekniikan ansiosta, Gotthardt sanoi. Toinen odottamaton havainto oli havaittujen titiinimolekyylien, niin sanottujen isoformien, monimuotoisuus. Nopeammin liikkuvat proteiinit ovat todennäköisesti eri isoformeja kuin hitaammin liikkuvat.
”Tämä on katsaus sarkomeerin todelliseen elämään”, Gotthardt sanoi. ”Voimme ymmärtää myofilamenttirakenteen muodostumista ja uudelleenmuodostumista, millä on merkitystä ihmisen sairauksien ja kehityksen kannalta.”
Mahdolliset sovellukset
Fluoresoivien koettimien avulla tutkijat voivat tutkia, miten lihakset rakentuvat uudelleen liikunnan jälkeen tai miten sydänlihakset uudelleenmuodostuvat sydänkohtauksen jälkeen. Ne voivat myös auttaa ymmärtämään paremmin sydänsairauksia, jotka liittyvät muiden sarkomeeriproteiinien mutaatioihin, sanoi Franziska Rudolph, artikkelin ensimmäinen kirjoittaja.
”Tämä on hämmästyttävää, että voimme seurata endogeenisia titiinimuunnoksia reaaliajassa alusta loppuun”, Rudolph sanoi. ”Niin monet kokeet ovat mahdollisia näiden hiirimallien ja erilaisten kuvantamistekniikoiden avulla.”
Tekniikkaa voitaisiin esimerkiksi mahdollisesti käyttää implantoitujen solujen seuraamiseen, jotta nähdään, kuinka hyvin ne integroituvat natiiviin lihassyyn ja yhdistyvätkö ne kunnolla uusiin naapureihinsa toimiakseen yksikkönä vai eivät. Tällainen näkemys voisi osoittaa, ovatko solupohjaiset hoidot tehokkaita.
Uusien työkalujen validointi ja kuva-analyysimenetelmien luominen oli haasteellista, ja se vaati yhteistyötä kollegoiden kanssa MDC:n Berliinin lääketieteellisen systeemibiologian instituutista, Göttingenin yliopiston lääketieteellisestä keskuksesta ja Arizonan yliopistosta. Ryhmä teki kovasti töitä osoittaakseen, miten fluoresoivilla proteiineilla, jotka ovat geneettisesti tuotettuja, ei ollut odottamattomia sivuvaikutuksia lihaksen tai titiinin kehitykseen ja toimintaan.
MDC:n tutkijat jatkavat titiinin tutkimista uusilla työkaluilla, mukaan lukien sitä, miten luurankolihakset reagoivat liikuntaan.
Viittaus
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
Tämä artikkeli on julkaistu uudelleen seuraavista materiaaleista. Huomautus: aineistoa on saatettu muokata pituuden ja sisällön vuoksi. Lisätietoja saa viitatusta lähteestä
.