Сердечные тайны тарантула

Наталия Кубасова, Андрей Цатурян,
НИИ механики МГУ
«Троицкий вариант — Наука» № 13(307), 30 июня 2020 года

В 2018 году за выдающиеся достижения в оригинальных научных исследованиях наш коллега, биофизик из Венесуэлы Рауль Падрон (Raúl Alejandro Padrón Cremа), был избран иностранным членом Национальной Академии наук США. Недавно в Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) вышла его инаугурационная статья в соавторстве с учеными из разных стран, в том числе и нашим скромным участием, посвященная исследованию молекулярных структурных изменений, происходящих при сокращении мышцы ноги тарантула [1]. Несмотря на экзотический объект исследования, эта работа не только позволяет понять механизмы работы самых разных мышц животных и человека, но и имеет непосредственное отношение к некоторым болезням сердца.

Много лет назад Рауль Падрон обнаружил, что микроскопические нити, образованные моторным белком миозином в мышцах тарантула, длиннее и толще, а, главное, гораздо лучше упорядочены, чем в мышцах позвоночных. Это делает мышцы тарантула идеальным объектом для структурных исследований. Все мышцы сокращаются в результате взаимодействия миозиновых молекул с актином.

Источником энергии для механической работы служит гидролиз АТФ, катализуемый миозином, как обнаружили в 1938 г. В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова. Длинные стержневые части миозиновых молекул образуют стволы толстых нитей, из которых выступают глобулярные моторные фрагменты молекул — головки. При сокращении мышцы головки присоединяются к тонким нитям, образованным другим белком — актином, и тянут их, что приводит к относительному перемещению толстых и тонких нитей и сокращению мышцы, КПД которой может превышать 50%.

Взаимодействие миозина с актином при сокращении мышцы увеличивает скорость гидролиза АТФ миозином в 1000 раз. В расслабленной мышце скорость гидролиза АТФ еще в 10 раз меньше, чем у изолированных миозиновых головок. Падрон и его коллеги определили структуру миозиновых нитей тарантула с помощью криоэлектронной микроскопии и обнаружили, что головки миозина плотно прилегают к стволу миозиновой нити и друг к другу, блокируя взаимодействие с актином и гидролиз АТФ [3]. Эта структура с более высоким разрешением показана на рисунке; слева внизу — новорожденный тарантул.

Рисунок подготовлен Lorenzo Alamo и Weikang Ma

Позднее подобные структуры были обнаружены в скелетных и сердечной мышцах позвоночных. Оказалось, что плотная упаковка головок на поверхности миозиновых нитей играет существенную роль в поддержании расслабленного состояния мышцы. Более того, выяснилось, что у пациентов с гипертрофической кардиомиопатией эта хорошо упорядоченная структура дестабилизируется. Таким образом, стало понятно, что для запуска мышечного сокращения недостаточно открыть актин для присоединения миозиновых головок — необходимо разобрать упорядоченную структуру на поверхности миозиновой нити, чтобы миозиновые головки освободились от соседей, смогли найти мономеры актина и присоединиться к ним. Эта задача в разных мышцах, по-видимому, решается по-разному.

В 2019 году Рауль его коллеги из Венесуэлы и США провели эксперименты на синхротроне APS в Чикаго и получили рентгенодифракционные диаграммы живых мышц ноги тарантула в покое (в центре рисунка) и при сокращении в различных режимах. Их, в частности, интересовала роль фосфорилирования миозина в запуске сокращения. Именно эта работа недавно опубликована в PNAS.

Наш скромный вклад состоял в том, чтобы показать, что атомная модель, полученная по данным криоэлектронной микроскопии, прекрасно описывает рентгенодифракционную картину живых мышц тарантула. Таким образом, был получен ответ на «проклятый вопрос» структурной биологии: насколько форма биологических объектов меняется в процессе замораживания или кристаллизации при использовании методов криоэлектронной микроскопии или рентгеновской кристаллографии.

Оказалось, что структуры нитей и головок миозина в мышце тарантула in vivo такие же, как в ЭМ-образцах, с точностью до разрешающей способности методов. Мы также количественно оценили долю миозиновых головок, отходящих от ствола нити и участвующих в сокращении мышцы в различных условиях, и влияние фосфорилирования миозина на структурные изменения мышцы при ее сокращении.

Даже на фоне бушующей пандемии COVID-19 болезни сердца остаются наиболее частой причиной смерти в мире. Изучение молекулярных деталей работы и регуляции мышц может помочь понять молекулярные механизмы некоторых болезней сердца и способствовать разработке новых фармакологических препаратов и методов лечения.

Литература
1. Padrón R. et al. The myosin interacting-heads motif present in live tarantula muscle explains tetanic and posttetanic phosphorylation mechanisms // PNAS, 2020 117 (22), pp. 11865–11874.
2. Padrón R. Two and a half years at the LMB that imprinted my scientific career (1980–1983) // Memoirs and Consequences. Editor: Hugh Huxley. MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge. 2013.
3. John L. Woodhead et al. Atomic model of a myosin filament in therelaxed state // Nature. 2005, v. 436, pp. 1195–1199.