Ученые получили первое трехмерное изображение с высоким разрешением небулина, гигантского актин-связывающего белка, который является важным компонентом скелетных мышц. Это открытие дало возможность лучше понять роль небулина, поскольку его функции оставались в значительной степени туманными из-за его большого размера и сложности извлечения небулина в нативном состоянии из мышц. Группа исследователей Макса Планка во главе со Стефаном Раунсером, директором Института молекулярной физиологии Макса Планка в Дортмунде, в сотрудничестве с Матиасом Готелем из Королевского колледжа Лондона, использовала электронную криотомографию для расшифровки структуры небулина во впечатляющих деталях. Их выводы могут привести к новым терапевтическим подходам к лечению мышечных заболеваний.
Скелетная и сердечная мышцы сокращаются и расслабляются при скольжении параллельных нитей белков миозина и актина. Небулин, другой длинный тонкий белок , присутствующий только в скелетных мышцах , соединяется с актином, стабилизируя и регулируя его. Мутации в гене, кодирующем небулин, могут производить аномальный небулин, который вызывает немалиновую миопатию, неизлечимое нервно-мышечное заболевание различной степени тяжести, от мышечной слабости до нарушений речи и проблем с дыханием.
Знание структуры небулина и того, как он взаимодействует с актином, может иметь решающее значение для разработки новых методов лечения. Но традиционные экспериментальные подходы, которые восстанавливают небулин in vitro, потерпели неудачу из-за размера белка, его гибкости и того факта, что он переплетен с актином. Раунсер и его команда используют другой подход: они визуализируют эти белки непосредственно в их родной среде, в мышцах, используя мощный метод микроскопии, называемый электронной криотомографией (крио-ЭТ).
Эксперимент крио-ЭТ в лаборатории Раунсера начинается с мгновенной заморозки образцов мышц. Затем ученые применяют к образцу ионный пучок на основе галлия, чтобы удалить из него лишний материал и достичь идеальной толщины около 100 нанометров для просвечивающего электронного микроскопа. Затем этот мощный инструмент получает несколько изображений образца, наклоненного вдоль оси. Наконец, вычислительные методы отображают трехмерное изображение с впечатляюще высоким разрешением.
Раздвигая границы крио-ЭТ
В публикации 2021 года исследователи Макса Планка представили первое подробное трехмерное изображение саркомера, основной сократительной единицы скелетной и сердечной мышечной клетки, которая содержит актин, миозин и, в конечном итоге, белок небулин. Разрешение в один нанометр (миллионная доля миллиметра) было достаточно для изображения актина и миозина, но слишком мало для визуализации небулина.
На этот раз команда улучшила свой конвейер сбора и обработки данных, чтобы получить трехмерное изображение нитей скелетных мышц с разрешением, близким к атомному (0,45 нанометра). Сравнивая изображения скелетной мышцы с сердечной мышцей без небулина, структура длинного белка небулина стала отчетливой, и исследователи смогли построить атомарную модель небулина. «Это первая структура высокого разрешения с использованием FIB-фрезерования и крио-ЭТ, и она доказывает, что мы можем получить модели атома надежным способом. Это квантовый скачок», — говорит Раунсер.
Находки показывают, что каждый повтор небулина связывается с субъединицей актина, демонстрируя роль небулина как линейки, определяющей длину актиновой нити. Кроме того, каждый небулиновый повтор взаимодействует с каждой соседней субъединицей актина, что объясняет его роль стабилизатора. Наконец, ученые предполагают, что небулин регулирует связывание актина и миозина и, следовательно, сокращение мышц, взаимодействуя с другим белком, называемым тропонином. Эксперименты проводились на мышцах мышей, которые очень похожи на человеческие, и были выделены в Королевском колледже Лондона.
«Мы получили детальную трехмерную структуру головок небулина, актина и миозина in situ, которую можно использовать для точного определения мутаций, ведущих к миопатии», — отмечает Раунсер. Он добавляет, что разработчики фармпрепаратов смогут воспользоваться преимуществами этой новой структуры для определения мест связывания малых молекул, представляющих фармацевтический интерес. Благодаря своему недавнему успеху группа теперь сосредоточится на раскрытии структурных деталей миозина, другого скользящего филамента. Такие результаты могут, наконец, помочь нарисовать полную картину сложных деталей, лежащих в основе сокращения скелетных мышц.
