Med hjälp av nya högupplösta avbildningstekniker har MDC-forskare och kollegor spårat Titin, kroppens största protein, i realtid under hela dess livscykel. Metoden och resultaten kan ge nya insikter om muskelutveckling samt behandling av skadade muskler och hjärtsjukdomar.
Som tindrande ljus lyser upp julen, så hejar forskarna vid Max Delbrück Center for Molecular Medicine på röda och gröna ljus av en helt annan anledning. Med hjälp av färgglada sonder har ett team spårat hela livscykeln för titin, kroppens största protein som är känt för att spela en nyckelroll i muskelvävnad. Genom att observera titin från syntes till nedbrytning har man fått en ny inblick i bildandet av sarkomerer, de viktigaste kontraktila enheterna i hjärt- och skelettmuskulaturen.
Titin är en så stor molekyl att dess analys ger unika utmaningar. Teamet fäste röda och gröna fluorescerande taggar på motsatta ändar av proteinet, vilket gjorde det möjligt för dem att observera titins exakta rörelser i muskelceller från mushjärtat, så kallade kardiomyocyter.
”Kardiomyocyter är högt specialiserade och kan inte hoppa över ett slag”, säger Michael Gotthardt, som leder MDC:s labb för neuromuskulära och kardiovaskulära cellbiologier och som stod i spetsen för forskningen. ”Vi kan se hur titin tillverkas och sätts in i myofilamentet medan allt fortfarande fungerar. Det är vackert att se.”
Inte bara en vacker bild
Insikten om att kunna titta på titin i realtid är betydelsefull. Titin har länge antagits vara den stela ryggraden i sarkomerer, de grundläggande funktionella segmenten i hjärt- och skelettmusklerna som expanderar och drar ihop sig. Det visar sig att titin är mycket mer dynamiskt än vad man tidigare trott, säger Gotthardt.
Hjärtsmuskelceller verkar ha en pool av lösligt titin som är spridd över hela sarkomeren, redo att ersätta proteiner som skadas i den repetitiva processen av muskelutvidgning och sammandragning. Överansträngda proteiner flyttas ut ur cellerna och bryts sedan ned. Allt detta sker under loppet av några timmar, vilket låter snabbt, men är i själva verket mycket längre än för något annat sarkomeriskt protein.
Den stora mängden titin som finns utanför sarkomeren var som en överraskning och sågs för första gången tack vare den nya genetiska musmodellen och avbildningstekniken, sade Gotthardt. Ett annat oväntat resultat var mångfalden av titinmolekyler, så kallade isoformer, som observerades. Proteiner som rör sig snabbare är sannolikt olika isoformer än långsammare proteiner.
”Det här är en titt på sarkomerens verkliga liv”, sade Gotthardt. ”Vi kan förstå bildandet och ombyggnaden av myofilamentstrukturen, vilket har betydelse för mänsklig sjukdom och utveckling.”
Potentiella tillämpningar
De fluorescerande proberna kan hjälpa forskarna att studera hur musklerna återuppbygger sig själva efter träning, eller hur hjärtmuskulaturen ombildas efter en hjärtattack. De kan också hjälpa till att bättre förstå hjärtsjukdomar som är förknippade med mutationer i andra sarkomeriska proteiner, säger Franziska Rudolph, förstaförfattare till artikeln.
”Det här är fantastiskt, att följa endogena titinvarianter i realtid från början till slut”, säger Rudolph. ”Så många experiment är möjliga med dessa musmodeller och olika avbildningstekniker.”
Tekniken kan till exempel potentiellt användas för att spåra implanterade celler för att se hur väl de integreras med den ursprungliga muskelfibrerna, och om de ansluter sig korrekt till sina nya grannar för att fungera som en enhet eller inte. En sådan insikt skulle kunna visa om cellbaserade terapier är effektiva.
Validering av de nya verktygen och fastställande av metoder för bildanalys var en utmaning och krävde samarbete med kollegor från MDC:s Berlin Institute for Medical Systems Biology, University Medical Center Göttingen och University of Arizona. Teamet arbetade hårt för att visa hur de fluorescerande proteinerna, som är genetiskt genererade, inte hade några oväntade bieffekter på muskelns eller titins utveckling och funktion.
MDC-forskarna fortsätter att undersöka titin med de nya verktygen, bland annat hur skelettmusklerna reagerar på träning.
Referens
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
Denna artikel har återpublicerats från följande material. Observera: Materialet kan ha redigerats för längd och innehåll. För ytterligare information, vänligen kontakta den citerade källan.