Используя дрозофилы, исследователи Джона Хопкинса выяснили, почему конкретное унаследованное заболевание сердца человека, которое почти всегда возникает из-за генетических мутаций, приводит к увеличению, утолщению и отказу сердца. Они обнаружили, что одна из таких мутаций нарушает способность сердечной мышцы расслабляться после сокращения и мешает сердцу полностью наполняться кровью и откачивать ее.
Более конкретно, говорят исследователи, молекулярный механизм клеток ‘ "скелет," предназначен для укорачивания мышц, более склонен к фиксации на месте и остается частично сокращенным.
Исследователи говорят, что, поскольку мутация находится в белке, законсервировавшемся на протяжении всей эволюционной истории, результаты, опубликованные в сентябре. 12 в Cell Reports, может помочь в разработке подходов к лечению гипертрофической кардиомиопатии у человека.
Гипертрофическая кардиомиопатия, характеризующаяся утолщением нижних камер сердца человека, которые состоят из ткани сердечной мышцы, встречается примерно у одного из 500 мужчин и женщин, часто без симптомов. Это может привести к нерегулярному сердцебиению, отказу сердца и внезапной смерти у людей младше 35 лет.
Конкретная мутация, которую исследователи использовали для генетической инженерии плодовых мушек для своего исследования, известна у людей как ACTC A295S. ACTC – это белок, называемый альфа-сердечным актином, который помогает формировать сократительные элементы цитоскелета клеток сердечной мышцы. Мутация или изменение заменяет 295-ю аминокислоту в основной цепи белка – аланин – на серин и была обнаружена в 1999 году учеными из Дании у 13 членов семьи с гипертрофической кардиомиопатией. Более 1500 мутаций в девяти генах были идентифицированы как причины гипертрофической кардиомиопатии.
"Белок, на который воздействует эта конкретная мутация гипертрофической кардиомиопатии, чрезвычайно хорошо сохраняется во всем животном мире, а область, где расположена мутация, на 100 процентов идентична в тысячах различных последовательностей животных, а это означает, что весьма вероятно, что мутация будет иметь такой же эффект на мышечную ткань человека, как и на плодовых мушек," говорит Энтони Каммарато, доктор философии.D., доцент медицины Медицинского факультета Университета Джона Хопкинса. "Поскольку этот белок так важен для функции мышц, а у высших организмов существуют дополнительные его версии для компенсации мутантной формы в клетках животных, ученые изо всех сил пытались воспроизвести точное изменение болезни в модельном организме, чтобы показать, как мутация вызывает болезнь. , до настоящего времени."
Чтобы увидеть, как версия ACTC A295S для мух действует на сердечную мышцу, исследователи использовали генетические инструменты, чтобы включить либо дополнительную нормальную копию, либо мутантную форму белка актина в сердце плодовой мушки.
Сердце плодовой мушки представляет собой отдельную трубку из ткани, которая заполняется гемолимфой или "летать кровь," после расслабления, а затем качает его. Исследователи сняли на видео работу сердца, а затем сравнили сердца с нормальным и мутантным актином. Они заметили, что сердца с мутантным актином были короче в диаметре или тоньше, чем сердца с нормальной копией актина. У однонедельных мух насосная способность составляла около 85 нанолитров в минуту у мух с мутантным актином в сердцах по сравнению со 125 нанолитрами в минуту в сердцах с нормальным актином.
Чтобы выяснить, почему сердца с мутантной формой актина были короче в диаметре, чем сердца с нормальным актином, исследователи пропитали сердца химическим веществом, которое всасывает весь кальций из сердца, что обычно вызывает полное расслабление сердца и диаметр для расширения.
И здоровые, и мутантные сердца увеличились в диаметре примерно на 2.5 процентов, но сердца мутантов все еще были короче, чем обычно. Затем исследователи добавили блеббистатин к химическому веществу, удаляющему кальций, и пропитали сердца. Цепи актина образуют филаменты в клетках, а второй набор филаментов, состоящий из белкового миозина, захватывает актин и натягивает мышечные волокна друг на друга, так что они перекрываются, укорачивая клетку и вызывая сокращение мышц. Блеббистатин предотвращает связывание миозина с актином и сокращение мышечных клеток. После лечения блеббистатином сердца с нормальным актином расслабились еще на 2 процента, но сердца с мутантным актином расслабились еще на 8 процентов.
"Миозин не полностью высвобождается из актина в сердцах, что выражается в мутации гипертрофической кардиомиопатии, которая не позволяет сердцу полностью расслабиться или полностью заполниться," говорит Каммарато.
В другом наборе экспериментов исследователи воспользовались тем фактом, что мышцы, обеспечивающие полет, больше, чем сердца мух, что облегчило изучение мышечных мутаций и их биомеханических эффектов. У плодовых мушек, у которых не было актина в их летательных мышцах, исследователи добавили нормальную копию актина или версию мутации гипертрофической кардиомиопатии в геном мухи. Затем они посмотрели на летательные мышцы обеих групп мух. У мух с нормальной копией актина летательные мышцы выглядели нормально, но у мух с мутантным актином мышцы выглядели растрепанными, что, по словам исследователей, было из-за чрезмерной силы в мышцах, потому что они не могли должным образом расслабиться.
В мышечной ткани белок тропомиозин располагается вдоль актиновых нитей и предотвращает прикрепление миозина к мышцам и их сокращение. Тропомиозин – это "привратник" активации мышечного сокращения. После прохождения электрического сигнала в клетку высвобождается кальций, и тропомиозин уходит с пути, позволяя миозину временно связываться с нитями актина и сокращать мышцы.
Чтобы выяснить, почему миозин, похоже, не полностью высвобождается из актиновых нитей в мышцах полета и сердца мух с мутацией гипертрофической кардиомиопатии, исследователи использовали компьютерное моделирование, чтобы исследовать молекулярные изменения за чрезмерно сокращенными мышцами.
Исследователи рассчитали энергию электростатического взаимодействия между тропомиозином и нормальным актином по сравнению с актином при гипертрофической кардиомиопатии. Они обнаружили, что тропомиозин имеет на 60 процентов меньшую площадь для перемещения по филаментам актина при взаимодействии с мутантным актином по сравнению с нормальным актином, и что положение тропомиозина на мутантном актине, вероятно, сместилось от места, которое препятствует связыванию миозина.
"Мы думаем, что это измененное положение и ограниченное движение тропомиозина не позволяет ему должным образом отталкивать миозин от актиновых нитей, когда наступает время расслабления мышц, что удерживает мышцы в напряжении, и у людей может в конечном итоге вызвать болезнь" говорит Каммарато.