肌节收缩示意图。肌球蛋白（绿色）、肌动蛋白和Z盘（红色）和BioID（蓝色）拼接在一起。

（图片来源：Jacobo Lopez Carballo/Gotthardt实验室，MDC）

德国亥姆霍兹联合会（the Helmholtz Association）Max Delbruck分子医学中心（the Max Delbrück Center for Molecular Medicine, MDC）的研究人员开发出一种小鼠模型，使他们能够观察肌肉内部的工作情况，并找到使得肌节收缩、舒张、交流能量需求和适应运动的蛋白质。具体来说，他们能够从相邻肌层之间的边界“Z盘”开始，在肌层的特定分区中映现蛋白质。这项技术本身就是研究横纹肌的一个重大进展。

在研究过程中，他们有了一个出人意料的发现：构成横纹肌纤维的三种主要蛋白质之一——肌球蛋白似乎进入了Z盘。肌球蛋白、肌动蛋白和弹性支架肌联蛋白协同工作的模型很大程度上忽略了肌球蛋白丝穿过Z盘结构的可能性。直到最近，德国科学家才提出了“肌球蛋白可能会进入了Z盘”的理论。但目前为止，还没有实验证据来验证这个模型。

MDC神经肌肉和心血管细胞生物学实验室负责人Michael Gotthardt教授说：“即使对研究肌球蛋白的研究人员来说，这样的结果也是出人意料的。它关乎肌肉产生力量的基本原理。”

Gotthardt团队，包括第一作者Franziska Rudolph博士和Claudia Fink博士，在MDC和哥廷根大学（the University of G?ttingen）同事的帮助下进行实验。他们从未想过要验证这一理论，最初的目标是鉴定Z盘内和附近的蛋白质。为完成这一目标，他们开发出一种包含人工酶的小鼠模型。这种被称为BioID的人工酶被插入到巨大的肌联蛋白中，将肌联蛋白-BioID接到靠近Z盘的蛋白质上。

肌节是一种微小的分子机器，里面装满了紧密互作的蛋白质。到目前为止，人们还无法分离出不同亚区的特定蛋白质，尤其是在正在工作的肌肉中。MDC蛋白质组学实验室负责人Philipp Mertins博士说：“肌联蛋白-BioID技术能在体内探测肌节结构的特定区域。这在以前是无法做到的。”

该团队是第一个于生理条件下在动物活体内使用BioID的团队，他们鉴定出450种与肌节相关的蛋白质，其中约有一半已知。他们发现心脏和骨骼肌之间、成年小鼠和新生小鼠之间均存在显著差异，这与肌节结构、信号传导和代谢有关。这些差异反映了成人组织需要在新生儿组织的基础上，优化其性能和能量生产以适应组织生长和重塑的需求。

Gotthardt 说：“我们想知道谁在肌节处参与了肌肉活动的调控。结果显示，大多数参与者符合预期，这进一步检验了我们的方法。”

出乎他们预料之外的，是在Z盘中看到肌球蛋白，它整合在肌节的两端。已有的模型认为：当肌肉运动被触发时，肌球蛋白沿着肌动蛋白滑动，使相邻的Z盘相互靠近。肌动蛋白和肌球蛋白纤维的相对滑动产生了一种力量，使我们的心脏能够泵血，让骨骼肌维持姿势或举起重物。

这个所谓的肌节“滑丝模型”阐释了力的产生机制，并有助于解释力的产生和肌节长度之间的关系。然而，已有的模型难以预测肌节完全收缩的行为。 这些模型假设肌球蛋白在沿着肌动蛋白滑动时不会进入Z盘。有一些迹象表明肌球蛋白可能还在继续滑动。“但我们不知道我们在染色组织样本中看到的是假象还是真实情况。有了BioID，我们可以‘坐’在Z盘上，看着肌球蛋白滑过，Gotthardt说道。

Gotthardt认可所提出的理论，即肌球蛋白进入Z盘可以限制或抑制肌肉收缩。这可能有助于解决目前科学家们的问题，即计算肌肉纤维产生的力与其长度的关系；并可能产生一个精细的肌节模型，有望保护肌肉免受过度收缩的危害。

了解肌肉纤维在正常情况下如何在分子水平上伸展和收缩很重要。这样研究人员就可以确定当肌肉随着年龄的增长而受损、患病或萎缩时出现了什么问题；而明确问题由哪些蛋白质引发，可能有助于为心脏病或骨骼肌疾病患者确定新的治疗靶点。

Gotthardt和团队计划下一步使用BioID来研究不同的动物病理模型，以确定哪些蛋白质与肌肉萎缩有关。Gotthardt说：“也许某种通常不存在的蛋白质会进入肌节，这便是病理的一部分。我们可以用BioID技术找到它。”

翻译：胡舒昶

审校：巢栩嘉

引进来源：德国Max Delbrück分子医学中心

引进链接：https://phys.org/news/2020-06-fantastic-muscle-proteins.html


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