Używając nowych technik obrazowania o wysokiej rozdzielczości, badacze z MDC i współpracownicy śledzą cytynę, największe białko organizmu, w czasie rzeczywistym przez cały jej cykl życia. Metoda i wyniki mogą zapewnić nowy wgląd w rozwój mięśni, jak również w leczenie uszkodzonych mięśni i chorób serca.
Jak migoczące światełka rozjaśniają sezon świąteczny, naukowcy z Centrum Medycyny Molekularnej Maxa Delbrücka są dopingowani przez czerwone i zielone światełka z zupełnie innego powodu. Używając kolorowych sond, zespół badaczy prześledził cały cykl życia cytyny, największego białka w organizmie, które odgrywa kluczową rolę w tkance mięśniowej. Obserwacja cytyny od syntezy do degradacji dostarczyła nowego wglądu w tworzenie się mięsni, głównych jednostek kurczliwych serca i mięśni szkieletowych.
Tytryna jest tak dużą cząsteczką, że jej analiza stanowi wyjątkowe wyzwanie. Zespół dołączył czerwone i zielone znaczniki fluorescencyjne do przeciwległych końców białka, co umożliwiło im obserwowanie precyzyjnych ruchów cytyny w komórkach mięśniowych pochodzących z serca myszy, zwanych kardiomiocytami.
„Kardiomiocyty są wysoce wyspecjalizowane i nie mogą pominąć żadnego uderzenia”, powiedział Michael Gotthardt, który kieruje Laboratorium Biologii Komórki Nerwowo-Mięśniowej i Sercowo-Naczyniowej MDC i był inicjatorem badań. „Możemy obserwować, jak powstaje cytyna i jest wprowadzana do miofilamentu, podczas gdy wszystko nadal działa. To piękny widok.”
Nie tylko ładny obrazek
Wgląd uzyskany dzięki możliwości oglądania cytyny w czasie rzeczywistym jest znaczący. Od dawna uważa się, że cytyna stanowi sztywny szkielet mięsni sercowych, podstawowych segmentów funkcjonalnych mięśni sercowych i szkieletowych, które rozszerzają się i kurczą. Okazuje się, że cytyna jest znacznie bardziej dynamiczna niż wcześniej sądzono, powiedział Gotthardt.
Komórki mięśnia sercowego wydają się mieć pulę rozpuszczalnej cytyny rozprzestrzenionej w całym sarkomerze, gotowej do zastąpienia białek uszkodzonych w powtarzalnym procesie rozszerzania i kurczenia się mięśni. Nadmiernie rozciągnięte białka są wyprowadzane z komórek, a następnie degradowane. Wszystko to dzieje się w ciągu kilku godzin, co brzmi szybko, ale w rzeczywistości jest znacznie dłużej niż w przypadku jakiegokolwiek innego białka sarkomerycznego.
Duża ilość cytyny znajdująca się poza sarkomerem była niespodzianką, widzianą po raz pierwszy dzięki nowemu genetycznemu modelowi myszy i technice obrazowania, powiedział Gotthardt. Innym nieoczekiwanym odkryciem była różnorodność cząsteczek cytyny, zwanych izoformami, które zostały zaobserwowane. Szybciej poruszające się białka są prawdopodobnie różne izoformy niż wolniej poruszające się te.
„To jest spojrzenie na prawdziwe życie sarkomerów,” powiedział Gotthardt. „Możemy zrozumieć powstawanie i przebudowę struktury miofilamentu, co ma znaczenie dla ludzkich chorób i rozwoju.”
Potencjalne zastosowania
Sondy fluorescencyjne mogą pomóc naukowcom w badaniu, jak mięśnie odbudowują się po ćwiczeniach lub jak mięśnie serca przebudowują się po ataku serca. Mogą one również pomóc lepiej zrozumieć choroby serca związane z mutacjami w innych białkach sarkomerycznych, powiedziała Franziska Rudolph, pierwsza autorka pracy.
„To jest niesamowite, śledzić endogenne warianty cytyny w czasie rzeczywistym od początku do końca,” powiedziała Rudolph. „Tak wiele eksperymentów jest możliwych z tymi modelami myszy i różnymi technikami obrazowania.”
Na przykład, technika ta może być potencjalnie wykorzystana do śledzenia wszczepionych komórek, aby zobaczyć, jak dobrze integrują się one z rodzimymi włóknami mięśniowymi, i jeśli prawidłowo łączą się ze swoimi nowymi sąsiadami, aby pracować jako jednostka lub nie. Taki wgląd mógłby pokazać, czy terapie oparte na komórkach są skuteczne.
Weryfikacja nowych narzędzi i ustalenie metod analizy obrazu było wyzwaniem i wymagało współpracy z kolegami z Berlin Institute for Medical Systems Biology, University Medical Center Göttingen i University of Arizona. Zespół ciężko pracował, aby pokazać, jak białka fluorescencyjne, które są generowane genetycznie, nie miały nieoczekiwanych skutków ubocznych dla rozwoju i funkcji mięśni lub cytyny.
Badacze z MDC kontynuują badania nad cytyną za pomocą nowych narzędzi, w tym nad tym, jak mięśnie szkieletowe reagują na ćwiczenia.
Referencje
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
Ten artykuł został ponownie opublikowany z następujących materiałów. Uwaga: materiał mógł zostać poddany edycji pod względem długości i treści. Aby uzyskać więcej informacji, prosimy o kontakt z cytowanym źródłem.
.