Entdeckung in der Herzmuskelforschung
3-D-Bild mit Kryoelektronentomografie-- Während der Kontraktion des Herzens interagieren dicke und dünne Proteinfilamente im Sarkomer. Jede Veränderung in den dicken Filamentproteinen kann zu Erkrankungen wie hypertropher Kardiomyopathie und verschiedenen anderen Herz- und Muskelkrankheiten führen.
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Illustration der interagierenden dicken und dünnen Filamente im Herzsarkomer auf der Grundlage von strukturellen Kryo-ET-Daten.
© MPI MOPH
Einem internationalen Team unter der Leitung von Stefan Raunser, Direktor am Max-Planck-Institut (MPI) für molekulare Physiologie in Dortmund, in Zusammenarbeit mit Mathias Gautel vom King’s College London, ist es gelungen, das erste hochaufgelöste 3-D-Bild des dicken Filaments in seiner natürlichen zellulären Umgebung zu erstellen. Dies gelang ihnen mithilfe der Kryoelektronentomografie (Kryo-ET). Die Forschenden haben dadurch Einblicke in die molekulare Organisation und Anordnung der Komponenten innerhalb des dicken Filaments erhalten. Die neuen Erkenntnisse sind wichtig für ein besseres Verständnis der Funktionsweise von gesunden und kranken Muskeln und ermöglichen die Entwicklung neuer pharmakologischer Ansätze und Behandlungen, die auf Herz- und Muskelerkrankungen abzielen.
Kryoelektronentomografie
Um die Bestandteile des Muskels in ihrer natürlichen Umgebung abzubilden, entwickelte das Team einen Arbeitsablauf für die Kryo-ET, der speziell auf die Untersuchung von Muskelproben zugeschnitten ist: Die Forschenden schockgefrieren Herzmuskelproben von Säugetieren bei -175 °C. Dadurch bleiben Hydratation und Feinstruktur – also der ursprüngliche Zustand der Muskelzellen – erhalten. Anschließend werden die Proben mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB-Fräsen) auf eine ideale Dicke von etwa 100 Nanometern ausgedünnt. Im Transmissionselektronenmikroskop werden dann mehrere Bilder aufgenommen, während die Probe entlang einer Achse gekippt wird. Schließlich rekonstruieren computergestützte Methoden ein dreidimensionales Bild mit hoher Auflösung. Auf diese Weise konnten die ersten hochaufgelösten Bilder des Sarkomers und eines bis dahin nebulösen Muskelproteins namens Nebulin erstellt werden, die Einblicke in die 3-D-Organisation von Muskelproteinen im Sarkomer liefern: Sie zeigen wie Myosin an Aktin bindet, um die Muskelkontraktion zu steuern, und wie Nebulin an Aktin bindet, um es zu stabilisieren und seine Länge zu bestimmen.
Das Bild fertigstellen
Die Forschenden erstellten das erste hochaufgelöste Bild des kardialen dicken Filaments, das sich über mehrere Regionen im Sarkomer erstreckt. „Mit 500 nm Länge ist dies die längste und größte Struktur, die jemals mittels Kryo-ET aufgelöst wurde“, sagt Davide Tamborrini, Erstautor der Studie. Ebenfalls gewonnen wurden Erkenntnisse über die molekulare Organisation des dicken Filaments dessen Funktion. Die Anordnung der Myosinmoleküle ist abhängig von ihrer Position im Filament. Die Forschenden vermuten, dass das dicke Filament dadurch in der Lage ist, zahlreiche muskelregulierende Signale wahrzunehmen und zu verarbeiten. So könnte die Stärke der Muskelkontraktion in Abhängigkeit von der Region im Sarkomer reguliert werden. Sie zeigten auch, wie Titinketten entlang des Filaments verlaufen. Diese verflechten sich mit Myosin, fungieren als Gerüst für dessen Zusammenbau und orchestrieren wahrscheinlich eine längenabhängige Aktivierung des Sarkomers.
Quelle-- Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie
Literatur-- Tamborrini D et al. Nature. 2023; https://doi.org/10.1038/s41586-023-06690-5