Используя новые методы визуализации с высоким разрешением, исследователи MDC и их коллеги отслеживали тайтин, крупнейший белок организма, в режиме реального времени на протяжении всего его жизненного цикла. Метод и результаты могут дать новое представление о развитии мышц, а также о лечении поврежденных мышц и сердечных заболеваний.
Когда мерцающие огни освещают праздничный сезон, исследователей Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка радуют красные и зеленые огни по совершенно другой причине. Используя красочные зонды, команда исследователей проследила полный жизненный цикл тайтина, крупнейшего в организме белка, который, как известно, играет ключевую роль в мышечной ткани. Наблюдение за тайтином от синтеза до деградации дало новое понимание образования саркомеров, основных сократительных единиц сердца и скелетных мышц. Результаты были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Титин – настолько большая молекула, что ее анализ создает уникальные проблемы. Команда прикрепила красные и зеленые флуоресцентные метки к противоположным концам белка, что позволило им наблюдать точные движения тайтина в мышечных клетках, полученных из сердца мыши, которые называются кардиомиоцитами.
"Кардиомиоциты узкоспециализированы и не могут пропустить ни секунды," сказал Майкл Готтхардт, который возглавляет лабораторию нейромышечной и сердечно-сосудистой клеточной биологии MDC и возглавил исследование. "Мы можем наблюдать, как тайтин образуется и вставляется в миофиламент, пока все еще работает. Приятно видеть."
Не просто красивая картинка
Возможность наблюдать за тайтином в режиме реального времени очень важна. Долгое время считалось, что титин является жесткой основой саркомеров, основных функциональных сегментов сердца и скелетных мышц, которые расширяются и сокращаются. Оказывается, тайтин намного более динамичен, чем считалось ранее, сказал Готтхардт.
Клетки сердечной мышцы, по-видимому, имеют пул растворимого тайтина, распределенного по саркомеру, готового заменить белки, поврежденные в повторяющемся процессе расширения и сокращения мышц. Чрезмерно расширенные белки выводятся из клеток и затем разрушаются. Все это происходит в течение нескольких часов, что звучит быстро, но на самом деле намного дольше, чем для любого другого саркомерного белка.
По словам Готтхардта, большое количество тайтина, расположенного за пределами саркомера, стало неожиданностью, впервые увиденной благодаря новой генетической модели мыши и технике визуализации. Еще одним неожиданным открытием стало обнаруженное разнообразие молекул тайтина, называемых изоформами. Быстродвижущиеся белки, вероятно, представляют собой изоформы, отличные от более медленно движущихся.
"Это взгляд на реальную жизнь саркомера," Готтхардт сказал. "Мы можем понять формирование и реконструкцию структуры миофиламентов, которая имеет отношение к заболеваниям и развитию человека."
Возможные приложения
Флуоресцентные датчики могут помочь исследователям изучить, как мышцы восстанавливаются после упражнений или как сердечные мышцы реконструируются после сердечного приступа. Они также могут помочь лучше понять сердечные заболевания, связанные с мутациями в других саркомерных белках, сказала Франциска Рудольф, первый автор статьи.
"Это потрясающе – отслеживать эндогенные варианты тайтина в режиме реального времени от начала до конца," Рудольф сказал. "С этими моделями мышей и различными методами визуализации возможно так много экспериментов."
Например, эту технику потенциально можно использовать для отслеживания имплантированных клеток, чтобы увидеть, насколько хорошо они интегрируются с нативными мышечными волокнами и правильно ли они соединяются со своими новыми соседями, чтобы работать как единое целое или нет. Такое понимание может показать, эффективны ли клеточные методы лечения.
Проверка новых инструментов и разработка методов анализа изображений была сложной задачей и потребовала сотрудничества с коллегами из Берлинского института биологии медицинских систем, Университетского медицинского центра Геттингена и Университета Аризоны. Команда упорно работала, чтобы показать, как флуоресцентные белки, которые генерируются генетически, не оказывают неожиданных побочных эффектов на развитие и функционирование мышц или тайтина.
Исследователи MDC продолжают исследовать тайтин с помощью новых инструментов, включая то, как скелетные мышцы реагируют на упражнения.