Met behulp van nieuwe hoge-resolutie beeldvormingstechnieken hebben MDC-onderzoekers en collega’s titine, het grootste eiwit van het lichaam, in real time gevolgd gedurende zijn hele levenscyclus. De methode en de resultaten zouden nieuw inzicht kunnen verschaffen in spierontwikkeling en in de behandeling van beschadigde spieren en hartziekten.
Zoals twinkelende lichtjes de feestdagen opfleuren, worden onderzoekers van het Max Delbrück Center for Molecular Medicine om een heel andere reden opgevrolijkt door rode en groene lichtjes. Met behulp van kleurrijke sondes heeft een team de volledige levenscyclus gevolgd van titine, het grootste eiwit van het lichaam dat een sleutelrol speelt in het spierweefsel. Het observeren van titine van synthese tot afbraak heeft een nieuw inzicht verschaft in de vorming van sarcomeren, de belangrijkste contractiele eenheden van hart- en skeletspieren.
Titine is zo’n groot molecuul dat de analyse ervan unieke uitdagingen biedt. Het team bevestigde rode en groene fluorescerende tags aan tegenovergestelde uiteinden van het eiwit, waardoor ze de precieze bewegingen van titine konden observeren in spiercellen afkomstig van het muizenhart, cardiomyocyten genaamd.
“Cardiomyocyten zijn zeer gespecialiseerd en kunnen geen slag overslaan,” zei Michael Gotthardt, die aan het hoofd staat van MDC’s Neuromusculaire en Cardiovasculaire Cel Biologie Lab en de leiding had over het onderzoek. “We kunnen zien hoe titine wordt gemaakt en in de myofilamenten wordt ingebracht terwijl alles nog werkt. Het is prachtig om te zien.”
Niet alleen een mooi plaatje
Het inzicht dat wordt verkregen door titine in real time te kunnen bekijken is veelzeggend. Van titine is lang aangenomen dat het de stijve ruggengraat is van sarcomeren, de functionele basissegmenten van hart- en skeletspieren die uitzetten en samentrekken. Het blijkt dat titine veel dynamischer is dan eerder werd gedacht, aldus Gotthardt.
Hartspiercellen blijken een pool van oplosbare titine te hebben, verspreid over de sarcomeren, klaar om eiwitten te vervangen die beschadigd raken tijdens het repetitieve proces van spieruitzetting en -contractie. Overbelaste eiwitten worden uit de cellen verplaatst en vervolgens afgebroken. Dit alles gebeurt in de loop van een paar uur, wat snel klinkt, maar in feite veel langer is dan voor enig ander sarcomeer eiwit.
De grote hoeveelheid titine die zich buiten het sarcomeer bevond was een verrassing, voor het eerst gezien dankzij het nieuwe genetische muismodel en beeldvormingstechniek, zei Gotthardt. Een andere onverwachte bevinding was de diversiteit aan titinemoleculen, isovormen genaamd, die werden waargenomen. Sneller bewegende eiwitten zijn waarschijnlijk andere isovormen dan langzamer bewegende.
“Dit is een blik op het echte leven van de sarcomeer,” zei Gotthardt. “We kunnen de vorming en hermodellering van de myofilamentstructuur begrijpen, wat relevant is voor ziekte en ontwikkeling bij de mens.”
Mogelijke toepassingen
De fluorescente sondes kunnen onderzoekers helpen te bestuderen hoe spieren zichzelf weer opbouwen na inspanning, of hoe hartspieren hermodelleren na een hartaanval. Ze zouden ook kunnen helpen om hartziekten die geassocieerd zijn met mutaties in andere sarcomereiwitten beter te begrijpen, zei Franziska Rudolph, eerste auteur van het artikel.
“Dit is verbazingwekkend, om endogene titine-varianten in real-time te volgen van begin tot eind,” zei Rudolph. “Er zijn zoveel experimenten mogelijk met deze muismodellen en verschillende beeldvormingstechnieken.”
De techniek zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om geïmplanteerde cellen te volgen om te zien hoe goed ze integreren met de inheemse spiervezel, en of ze zich goed verbinden met hun nieuwe buren om als een eenheid te werken of niet. Een dergelijk inzicht zou kunnen aantonen of celtherapieën effectief zijn.
Het valideren van de nieuwe hulpmiddelen en het vaststellen van methoden voor beeldanalyse was een uitdaging en vereiste de samenwerking met collega’s van MDC’s Berlijns Instituut voor Medische Systeembiologie, Universitair Medisch Centrum Göttingen, en de Universiteit van Arizona. Het team werkte hard om aan te tonen hoe de fluorescerende eiwitten, die genetisch zijn gegenereerd, geen onverwachte bijwerkingen hadden op de ontwikkeling en functie van spieren of titine.
MDC-onderzoekers gaan door met het onderzoeken van titine met de nieuwe hulpmiddelen, waaronder hoe skeletspieren reageren op lichaamsbeweging.
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
Dit artikel is herpubliceerd uit het volgende materiaal. Opmerking: het materiaal kan zijn bewerkt vanwege lengte en inhoud. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de geciteerde bron.