Первое высокодетальное 3D-изображение саркомера получено с помощью электронной криотомографии
Международная группа учёных под руководством Штефана Раунзера, директора Института молекулярной физиологии Общества Макса Планка в Дортмунде, в сотрудничестве с Матиасом Гаутелем из Королевского колледжа в Лондоне, впервые получила высокодетальное 3D-изображение саркомера — базовой сократительной единицы клеток скелетных и сердечных мышц. Для этого использовалась электронная криотомография. Возможность этой технологии визуализировать структуры непосредственно в замороженных мышечных клетках может привести к новым методам лечения заболеваний мышц и лучшему пониманию процесса старения.
Саркомеры — это небольшие повторяющиеся субъединицы миофибрилл, длинных цилиндров, которые собираются вместе, образуя мышечные волокна. Внутри саркомеров нити белков миозина и актина взаимодействуют, обеспечивая сокращение и расслабление мышц. До сих пор традиционные методы исследования структуры и функции мышечной ткани либо работали с реконструированными белковыми комплексами, либо имели низкое разрешение. «Электронная криотомография, напротив, позволяет нам получать детальные и свободные от артефактов 3D-изображения замороженной мышцы», — говорит Раунзер.
Методология долгое время оставалась узкоспециализированной, но недавние технические достижения в криоэлектронной микроскопии, а также развитие криофокусированной ионно-пучковой (FIB) обработки повысили разрешение электронной криотомографии. Как и в криоэлектронной микроскопии, биологический образец мгновенно замораживается при очень низкой температуре (-175 °C). Этот процесс сохраняет гидратацию и тонкую структуру образца, близкую к нативному состоянию. Затем с помощью FIB-обработки удаляется лишний материал для достижения идеальной толщины около 100 нанометров для просвечивающего электронного микроскопа, который делает множество снимков при наклоне образца. Вычислительные методы завершают процесс, реконструируя трёхмерную картину с высоким разрешением.
Команда Раунзера применила электронную криотомографию к миофибриллам мыши, выделенным в Королевском колледже, и достигла разрешения в один нанометр (миллионная доля миллиметра, достаточная, чтобы увидеть тонкие структуры внутри белка): «Теперь мы можем рассматривать миофибриллу с детализацией, которую всего четыре года назад считали немыслимой. Это потрясающе!» — говорит Раунзер.
Волокна в их естественном контексте
Реконструкция миофибрилл показала трёхмерную организацию саркомера, включая субрегионы M-, A- и I-диски, а также Z-диск. Оказалось, что Z-диск образует более нерегулярную сеть и может принимать разные конформации. Учёные использовали образец с миозином, прочно связанным с актином, что соответствует стадии сокращения мышцы, называемой ригор-состоянием. Им впервые удалось визуализировать в нативной клетке, как две головки одного миозина связываются с актиновой нитью. Также было обнаружено, что двойная головка не только взаимодействует с одной актиновой нитью, но может быть разделена между двумя разными актиновыми нитями. Это наблюдалось впервые и показывает, что близость к следующей актиновой нити может быть важнее кооперативного эффекта между соседними головками миозина.
«Это только начало. Электронная криотомография превращается из узкоспециализированной в широко распространённую технологию в структурной биологии, — говорит Раунзер. — Вскоре мы сможем исследовать заболевания мышц на молекулярном и даже атомном уровне». Мышцы мыши очень похожи на человеческие, но учёные также планируют исследовать мышечную ткань из биопсий или полученную из плюрипотентных стволовых клеток.