В частности, по словам исследователей, молекулярный механизм клеточного «скелета», предназначенный для сокращения мышц, более склонен к фиксации на месте и остается частично сокращенным.
Исследователи говорят, что, поскольку мутация находится в белке, законсервировавшемся на протяжении всей эволюционной истории, результаты, опубликованные в сентябре. 12 в Cell Reports, может помочь в разработке подходов к лечению гипертрофической кардиомиопатии у человека.
Гипертрофическая кардиомиопатия, характеризующаяся утолщением нижних камер сердца человека, которые состоят из ткани сердечной мышцы, встречается примерно у одного из 500 мужчин и женщин, часто без симптомов.
Это может привести к нерегулярному сердцебиению, отказу сердца и внезапной смерти у людей младше 35 лет.
Конкретная мутация, которую исследователи использовали для генетической инженерии плодовых мушек для своего исследования, известна у людей как ACTC A295S. ACTC — это белок, называемый альфа-сердечным актином, который помогает формировать сократительные элементы цитоскелета клеток сердечной мышцы.
Мутация или изменение заменяет 295-ю аминокислоту в основе белка — аланин — на серин и была обнаружена в 1999 году у 13 членов семьи с гипертрофической кардиомиопатией учеными из Дании. Более 1500 мутаций в девяти генах были идентифицированы как причины гипертрофической кардиомиопатии.
"Белок, затронутый этой конкретной мутацией гипертрофической кардиомиопатии, чрезвычайно хорошо сохраняется во всем животном мире, и область, где расположена мутация, идентична на 100 процентов в тысячах различных последовательностей животных, а это означает, что весьма вероятно, что мутация будет иметь такой же эффект на мышечную ткань человека, как и на плодовых мушек ", — говорит Энтони Каммарато, доктор философии.D., доцент медицины Медицинского факультета Университета Джона Хопкинса. «Поскольку этот белок очень важен для функции мышц, а у высших организмов существуют дополнительные его версии для компенсации мутантной формы в клетках животных, ученые изо всех сил пытались воспроизвести точное изменение болезни в модельном организме, чтобы показать, как мутация вызывает болезнь, до сих пор."
Чтобы увидеть, как муховая версия ACTC A295S воздействует на сердечную мышцу, исследователи использовали генетические инструменты, чтобы включить либо дополнительную нормальную копию, либо мутантную форму белка актина в сердце плодовой мушки.
Сердце плодовой мухи — это отдельная трубка из ткани, которая после расслабления наполняется гемолимфой, или «кровью мухи», а затем перекачивает ее. Исследователи сняли на видео работу сердца, а затем сравнили сердца с нормальным и мутантным актином. Они заметили, что сердца с мутантным актином были короче в диаметре или тоньше, чем сердца с нормальной копией актина.
У однонедельных мух насосная способность составляла около 85 нанолитров в минуту у мух с мутантным актином в сердцах по сравнению со 125 нанолитрами в минуту в сердцах с нормальным актином.
Чтобы выяснить, почему сердца с мутантной формой актина были короче в диаметре, чем сердца с нормальным актином, исследователи пропитали сердца химическим веществом, которое всасывает весь кальций из сердца, что обычно вызывает полное расслабление сердца и диаметр для расширения.
И здоровые, и мутантные сердца увеличились в диаметре примерно на 2.5 процентов, но сердца мутантов все еще были короче, чем обычно.
Затем исследователи добавили блеббистатин к химическому веществу, удаляющему кальций, и пропитали сердца. Цепи актина образуют филаменты в клетках, а второй набор филаментов, состоящий из белкового миозина, захватывает актин и натягивает мышечные волокна друг на друга, так что они перекрываются, укорачивая клетку и вызывая сокращение мышц.
Блеббистатин предотвращает связывание миозина с актином и сокращение мышечных клеток. После лечения блеббистатином сердца с нормальным актином расслабились еще на 2 процента, но сердца с мутантным актином расслабились еще на 8 процентов.
«Миозин не полностью высвобождается из актина в сердце, выражая мутацию гипертрофической кардиомиопатии, которая не позволяет сердцу полностью расслабиться или полностью заполниться», — говорит Каммарато.
В другом наборе экспериментов исследователи воспользовались тем фактом, что мышцы, обеспечивающие полет, больше, чем сердца мух, что облегчило изучение мышечных мутаций и их биомеханических эффектов.
У плодовых мушек, у которых не было актина в их летательных мышцах, исследователи добавили нормальную копию актина или версию мутации гипертрофической кардиомиопатии в геном мухи. Затем они посмотрели на летательные мышцы обеих групп мух. У мух с нормальной копией актина летательные мышцы выглядели нормально, но у мух с мутантным актином мышцы выглядели растрепанными, что, по словам исследователей, было из-за чрезмерной силы в мышцах, потому что они не могли должным образом расслабиться.
В мышечной ткани белок тропомиозин располагается вдоль актиновых нитей и предотвращает прикрепление миозина к мышцам и их сокращение.
Тропомиозин — это «привратник», активирующий сокращение мышц. После прохождения электрического сигнала в клетку высвобождается кальций, и тропомиозин уходит с пути, позволяя миозину временно связываться с нитями актина и сокращать мышцы.
Чтобы выяснить, почему миозин, похоже, не полностью высвобождается из актиновых нитей в мышцах полета и сердца мух с мутацией гипертрофической кардиомиопатии, исследователи использовали компьютерное моделирование, чтобы исследовать молекулярные изменения за чрезмерно сокращенными мышцами.
Исследователи рассчитали энергию электростатического взаимодействия между тропомиозином и нормальным актином по сравнению с актином при гипертрофической кардиомиопатии.
Они обнаружили, что тропомиозин имеет на 60 процентов меньшую площадь для перемещения по филаментам актина при взаимодействии с мутантным актином по сравнению с нормальным актином, и что положение тропомиозина на мутантном актине, вероятно, сместилось от места, которое препятствует связыванию миозина.
«Мы думаем, что это измененное положение и ограниченное движение тропомиозина не позволяет ему должным образом отталкивать миозин от актиновых нитей, когда наступает время расслабления мышц, что и удерживает мышцы в напряжении, и у людей может в конечном итоге вызвать болезнь», — говорит Каммарато.