约翰霍普金斯医学院:果蝇研究揭示心脏功能障碍的机制

时间: 2017-10-11 12:03:44浏览(599)评论(0)点赞(1)收藏(1)

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约翰·霍普金斯大学的研究人员使用果蝇研究为什么特定遗传性心脏病(几乎总是由于基因突变导致)导致心脏增大,增厚和衰竭。他们发现一个突变干扰心肌在收缩后松弛的能力,并且防止心脏完全充满血液并将其泵出。

具体来说,研究人员说,细胞“骨架”(用于缩短肌肉)的分子机制更容易锁定到位,并保留部分收缩力。

研究人员说,由于这种突变出现在进化史中保守的蛋白质中,因此可以帮助指导治疗人类肥大型心肌病的方法。

每500名男女中就有一人有肥厚性心肌病(标志为心脏下腔增厚),这种疾病通常没有症状。肥厚性心肌病导致35岁以下人群心跳不正常,心脏泵血失败和猝死。

研究人员用于遗传工程化果蝇以进行研究的特定突变在人类中称为ACTC A295S。ACTC是一种称为α-心脏肌动蛋白的蛋白质,有助于形成心肌细胞骨架的收缩元件。这种突变将蛋白质主链中的第295位氨基酸的丙氨酸替换为丝氨酸。

“这种受特定增生性心肌病突变影响的蛋白质在动物界是非常保守的,突变位置的区域在千种不同的动物序列中是100%相同的,这意味着这种突变对人类肌肉组织的影响很有可能与果蝇相同,约翰霍普金斯大学医学院医学助理教授安东尼·卡马拉托(Anthony Cammarato)博士说。“因为这种蛋白质对于肌肉功能至关重要,而在高等生物体中还有其它版本来弥补动物细胞中的突变形式,科学家们一直在模型生物中努力重复这种精确疾病变化,以显示突变如何引起疾病。“

为了了解果蝇版本的ACTC A295S如何作用于心脏肌肉,研究人员使用遗传工具在果蝇心脏中开启一个额外的正常拷贝或肌动蛋白的突变形式。

果蝇的心脏是一种组织单管,充满血淋巴,心脏松弛后泵出血淋巴。研究人员观察心脏抽吸,然后将正常心脏肌动蛋白和突变肌动蛋白进行比较。他们注意到,与肌动蛋白的正常拷贝相比,具有突变肌动蛋白的心脏的直径更短或者更小。在一周龄的果蝇中,突变肌动蛋白心脏每分钟泵送约85纳升,正常肌动蛋白心脏每分钟泵送125纳升。

为了找出肌动蛋白突变心脏的直径比正常肌动蛋白心脏短的原因,调查人员将心脏浸泡在一种化学物质中,吸收心脏中所有的钙,而钙会导致心脏完全放松,直径扩大。

研究发现健康和突变心脏的直径都增加了大约2.5%,但突变心脏仍然比正常的要短。接下来,研究人员将药物blebbistatin(非肌肉肌球蛋白II型ATP酶抑制试剂)添加到这种除钙化学物质中并浸泡心脏。肌动蛋白链在细胞中形成细丝,第二组细丝由肌球蛋白组合到肌动蛋白上,并将肌肉丝彼此牵拉,使其重叠,缩短细胞并引起肌肉收缩。Blebbistatin抑制肌球蛋白与肌动蛋白结合收缩肌肉细胞。用blebbistatin处理后,正常肌动蛋白心脏松弛2%,但与突变肌动蛋白心脏松弛8%。

卡马拉托说:“肌球蛋白不能完全释放表达肥厚性心肌病突变的心脏肌动蛋白,从而阻止心脏完全放松或完全充盈。

研究人员了解果蝇中为飞行供应动力的肌肉要大于心脏,在另一组实验中,研究人员利用了这一事实,使人们更容易研究肌肉突变及其生物力学效应。研究者在飞行肌肉中缺乏肌动蛋白的果蝇中,将肌动蛋白或增生性心肌病突变型的正常拷贝添加到果蝇的基因组中。然后观察两组果蝇中的飞行肌肉。在具有肌动蛋白正常拷贝的果蝇中,飞行肌肉看起来正常,但是在具有突变肌动蛋白的果蝇中,肌肉呈现切碎状,研究人员说,这是肌力过度,因为它们不能正常放松。

在肌肉组织中,原肌球蛋白位于肌动蛋白丝上,并防止肌球蛋白附着和收缩肌肉。原肌球蛋白是激活肌肉收缩的“守门人”。一旦电信号通过,钙被释放到细胞中,原肌球蛋白移动出来,允许肌球蛋白暂时结合肌动蛋白丝并收缩肌肉。

为了弄清楚为什么在肥厚性心肌病突变果蝇中,肌球蛋白似乎没有完全释放飞行和心脏肌肉中的肌动蛋白丝,研究人员使用计算机模拟来研究过度收缩的肌肉背后的分子变化。

研究人员计算了与肥厚性心肌病肌动蛋白相比,原肌球蛋白与正常肌动蛋白之间静电相互作用的能量。他们发现,与正常肌动蛋白相比,原肌球蛋白在与突变肌动蛋白相互作用的情况下,在肌动蛋白丝上移动的面积减小了60%,而原肌球蛋白在突变肌动蛋白上的位置可能远离防止肌球蛋白结合的位置。

“我们认为,原肌球蛋白的这种定位改变和运动限制可以在肌肉应当松弛时防止原肌球蛋白从肌动蛋白细丝中正常地碰撞,这是保持肌肉收缩,并可能是最终触发疾病的原因。”卡马拉托说。


编译:高嘉强


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