Utilizzando nuove tecniche di imaging ad alta risoluzione, i ricercatori del MDC e i colleghi hanno tracciato la titina, la più grande proteina del corpo, in tempo reale durante il suo intero ciclo di vita. Il metodo e i risultati potrebbero fornire nuove informazioni sullo sviluppo muscolare e sul trattamento dei muscoli danneggiati e delle malattie cardiache.
Come le luci scintillanti illuminano la stagione delle vacanze, i ricercatori del Max Delbrück Center for Molecular Medicine sono rallegrati dalle luci rosse e verdi per un motivo completamente diverso. Utilizzando sonde colorate, un team ha tracciato l’intero ciclo di vita della titina, la più grande proteina del corpo nota per svolgere un ruolo chiave nel tessuto muscolare. Osservare la titina dalla sintesi alla degradazione ha fornito nuove informazioni sulla formazione dei sarcomeri, le principali unità contrattili del cuore e del muscolo scheletrico.
La titina è una molecola così grande che la sua analisi fornisce sfide uniche. Il team ha attaccato tag fluorescenti rossi e verdi alle estremità opposte della proteina, permettendo loro di osservare i movimenti precisi della titina nelle cellule muscolari derivate dal cuore del topo, chiamate cardiomiociti.
“I cardiomiociti sono altamente specializzati e non possono saltare un colpo”, ha detto Michael Gotthardt, che dirige il laboratorio di biologia cellulare neuromuscolare e cardiovascolare di MDC e ha guidato la ricerca. “Possiamo osservare come la titina viene prodotta e inserita nel miofilamento mentre tutto funziona ancora. È bello da vedere.”
Non solo una bella immagine
L’intuizione ottenuta dalla possibilità di guardare la titina in tempo reale è significativa. La titina è stata a lungo ritenuta la spina dorsale rigida dei sarcomeri, i segmenti funzionali di base dei muscoli cardiaci e scheletrici che si espandono e si contraggono. Si scopre che la titina è molto più dinamica di quanto si pensasse in precedenza, ha detto Gotthardt.
Le cellule muscolari del cuore sembrano avere un pool di titina solubile diffusa in tutto il sarcomero, pronta a sostituire le proteine danneggiate nel processo ripetitivo di espansione e contrazione muscolare. Le proteine sovraccaricate vengono spostate fuori dalle cellule e poi degradate. Tutto questo avviene nel corso di poche ore, che sembra veloce, ma in realtà è molto più lungo che per qualsiasi altra proteina sarcomerica.
La grande quantità di titina situata al di fuori del sarcomero era una sorpresa, vista per la prima volta grazie al nuovo modello di topo genetico e alla tecnica di imaging, ha detto Gotthardt. Un’altra scoperta inaspettata è stata la diversità delle molecole di titina, chiamate isoforme, che sono state osservate. Le proteine che si muovono più velocemente sono probabilmente isoforme diverse da quelle che si muovono più lentamente.
“Questo è uno sguardo alla vita reale del sarcomero”, ha detto Gotthardt. “Possiamo capire la formazione e il rimodellamento della struttura del miofilamento, che ha rilevanza per la malattia umana e lo sviluppo.”
Applicazioni potenziali
Le sonde fluorescenti possono aiutare i ricercatori a studiare come i muscoli si ricostruiscono dopo l’esercizio, o come i muscoli del cuore si rimodellano dopo un attacco di cuore. Potrebbero anche aiutare a capire meglio le malattie cardiache associate a mutazioni in altre proteine sarcomeriche, ha detto Franziska Rudolph, primo autore della carta.
“Questo è incredibile, per seguire le varianti di titina endogena in tempo reale dall’inizio alla fine,” Rudolph ha detto. “Per esempio, la tecnica potrebbe potenzialmente essere usata per seguire le cellule impiantate per vedere quanto bene si stanno integrando con la fibra muscolare nativa, e se si connettono correttamente con i loro nuovi vicini per lavorare come un’unità o no. Tale intuizione potrebbe mostrare se le terapie basate sulle cellule sono efficaci.
Validare i nuovi strumenti e stabilire metodi per l’analisi delle immagini è stata una sfida e ha richiesto la collaborazione con i colleghi del MDC’s Berlin Institute for Medical Systems Biology, University Medical Center Göttingen, e l’Università dell’Arizona. Il team ha lavorato duramente per dimostrare come le proteine fluorescenti, che sono generate geneticamente, non hanno avuto effetti collaterali inaspettati sullo sviluppo e sulla funzione dei muscoli o della titina.
I ricercatori MDC stanno continuando a studiare la titina con i nuovi strumenti, compreso il modo in cui i muscoli scheletrici rispondono all’esercizio.
Riferimento
Rudolph et al. (2019) Risolvendo il ciclo di vita della titina e l’organizzazione spaziale del turnover delle proteine nei cardiomiociti di topo. PNAS. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1904385116
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