肌節收縮示意圖。肌球蛋白（綠色）、肌動蛋白和Z盤（紅色）和BioID（藍色）拚接在一起。

（圖片來源：Jacobo Lopez Carballo/Gotthardt實驗室，MDC）

德國亥姆霍茲(zi) 聯合會(hui) （the Helmholtz Association）Max Delbruck分子醫學中心（the Max Delbrück Center for Molecular Medicine, MDC）的研究人員開發出一種小鼠模型，使他們(men) 能夠觀察肌肉內(nei) 部的工作情況，並找到使得肌節收縮、舒張、交流能量需求和適應運動的蛋白質。具體(ti) 來說，他們(men) 能夠從(cong) 相鄰肌層之間的邊界“Z盤”開始，在肌層的特定分區中映現蛋白質。這項技術本身就是研究橫紋肌的一個(ge) 重大進展。

在研究過程中，他們(men) 有了一個(ge) 出人意料的發現：構成橫紋肌纖維的三種主要蛋白質之一——肌球蛋白似乎進入了Z盤。肌球蛋白、肌動蛋白和彈性支架肌聯蛋白協同工作的模型很大程度上忽略了肌球蛋白絲(si) 穿過Z盤結構的可能性。直到最近，德國科學家才提出了“肌球蛋白可能會(hui) 進入了Z盤”的理論。但目前為(wei) 止，還沒有實驗證據來驗證這個(ge) 模型。

MDC神經肌肉和心血管細胞生物學實驗室負責人Michael Gotthardt教授說：“即使對研究肌球蛋白的研究人員來說，這樣的結果也是出人意料的。它關(guan) 乎肌肉產(chan) 生力量的基本原理。”

Gotthardt團隊，包括第一作者Franziska Rudolph博士和Claudia Fink博士，在MDC和哥廷根大學（the University of G?ttingen）同事的幫助下進行實驗。他們(men) 從(cong) 未想過要驗證這一理論，最初的目標是鑒定Z盤內(nei) 和附近的蛋白質。為(wei) 完成這一目標，他們(men) 開發出一種包含人工酶的小鼠模型。這種被稱為(wei) BioID的人工酶被插入到巨大的肌聯蛋白中，將肌聯蛋白-BioID接到靠近Z盤的蛋白質上。

肌節是一種微小的分子機器，裏麵裝滿了緊密互作的蛋白質。到目前為(wei) 止，人們(men) 還無法分離出不同亞(ya) 區的特定蛋白質，尤其是在正在工作的肌肉中。MDC蛋白質組學實驗室負責人Philipp Mertins博士說：“肌聯蛋白-BioID技術能在體(ti) 內(nei) 探測肌節結構的特定區域。這在以前是無法做到的。”

該團隊是第一個(ge) 於(yu) 生理條件下在動物活體(ti) 內(nei) 使用BioID的團隊，他們(men) 鑒定出450種與(yu) 肌節相關(guan) 的蛋白質，其中約有一半已知。他們(men) 發現心髒和骨骼肌之間、成年小鼠和新生小鼠之間均存在顯著差異，這與(yu) 肌節結構、信號傳(chuan) 導和代謝有關(guan) 。這些差異反映了成人組織需要在新生兒(er) 組織的基礎上，優(you) 化其性能和能量生產(chan) 以適應組織生長和重塑的需求。

Gotthardt 說：“我們(men) 想知道誰在肌節處參與(yu) 了肌肉活動的調控。結果顯示，大多數參與(yu) 者符合預期，這進一步檢驗了我們(men) 的方法。”

出乎他們(men) 預料之外的，是在Z盤中看到肌球蛋白，它整合在肌節的兩(liang) 端。已有的模型認為(wei) ：當肌肉運動被觸發時，肌球蛋白沿著肌動蛋白滑動，使相鄰的Z盤相互靠近。肌動蛋白和肌球蛋白纖維的相對滑動產(chan) 生了一種力量，使我們(men) 的心髒能夠泵血，讓骨骼肌維持姿勢或舉(ju) 起重物。

這個(ge) 所謂的肌節“滑絲(si) 模型”闡釋了力的產(chan) 生機製，並有助於(yu) 解釋力的產(chan) 生和肌節長度之間的關(guan) 係。然而，已有的模型難以預測肌節完全收縮的行為(wei) 。 這些模型假設肌球蛋白在沿著肌動蛋白滑動時不會(hui) 進入Z盤。有一些跡象表明肌球蛋白可能還在繼續滑動。“但我們(men) 不知道我們(men) 在染色組織樣本中看到的是假象還是真實情況。有了BioID，我們(men) 可以‘坐’在Z盤上，看著肌球蛋白滑過，Gotthardt說道。

Gotthardt認可所提出的理論，即肌球蛋白進入Z盤可以限製或抑製肌肉收縮。這可能有助於(yu) 解決(jue) 目前科學家們(men) 的問題，即計算肌肉纖維產(chan) 生的力與(yu) 其長度的關(guan) 係；並可能產(chan) 生一個(ge) 精細的肌節模型，有望保護肌肉免受過度收縮的危害。

了解肌肉纖維在正常情況下如何在分子水平上伸展和收縮很重要。這樣研究人員就可以確定當肌肉隨著年齡的增長而受損、患病或萎縮時出現了什麽(me) 問題；而明確問題由哪些蛋白質引發，可能有助於(yu) 為(wei) 心髒病或骨骼肌疾病患者確定新的治療靶點。

Gotthardt和團隊計劃下一步使用BioID來研究不同的動物病理模型，以確定哪些蛋白質與(yu) 肌肉萎縮有關(guan) 。Gotthardt說：“也許某種通常不存在的蛋白質會(hui) 進入肌節，這便是病理的一部分。我們(men) 可以用BioID技術找到它。”

翻譯：胡舒昶

審校：巢栩嘉

引進來源：德國Max Delbrück分子醫學中心

引進鏈接：https://phys.org/news/2020-06-fantastic-muscle-proteins.html


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