马克斯·普朗克研究所的研究人员使用电子冷冻断层扫描技术揭示骨骼肉瘤的新分子细节

　　2021年3月24日

 　由多特蒙德马克斯·普朗克分子生理研究所所长Stefan Raunser领导的国际团队与伦敦国王学院的Mathias Gautel合作，制作了肌节肌即基本收缩单元的第一个高分辨率3D图像。通过电子冷冻断层扫描技术检测骨骼肌和心肌细胞。直接在冷冻的肌肉细胞中成像结构的电子冷冻断层扫描能力可以转化为未来针对肌肉疾病的药物治疗以及对衰老过程的更好理解。

肌节的3D重建。有色菌株显示单个细丝。©分子生理学MPI

　　肉瘤是肌原纤维的小的重复亚单位，肌原纤维是长的圆柱体，捆绑在一起形成肌肉纤维。在肉瘤内部，肌球蛋白和肌动蛋白蛋白的细丝相互作用，产生肌肉收缩和松弛。到目前为止，研究肌肉组织结构和功能的传统实验方法是在重建的蛋白质复合物中进行的，或者存在分辨率低的问题。“电子低温断层摄影术反而使我们能够获取冷冻肌肉的详细且无伪影的3D图像”，Raunser说。

　　电子冷冻断层摄影术长期以来一直是一种成熟而利基的方法。但是，电子冷冻显微镜的最新技术进展以及冷冻聚焦离子束(FIB)铣削的新发展正在推动电子冷冻断层扫描技术的发展。与电子冷冻显微镜相似，研究人员可在非常低的温度(-175°C)下对生物样品进行速冻。通过此过程，样品可保持其水合和精细结构，并保持接近其天然状态。然后应用FIB铣削以刮除多余的材料，并为透射电子显微镜获得约100纳米的理想厚度，该透射电子显微镜在样品沿轴倾斜时会获取多个图像。最后，计算方法以高分辨率重建三维图像。

　　Raunser的团队对在国王学院分离的小鼠肌原纤维进行了电子冷冻断层扫描，并获得了1纳米(百万分之一毫米的分辨率，足以看到蛋白质中的精细结构)的分辨率：“我们现在可以详细了解肌原纤维四年前才想到的不可思议的。令人着迷!” Raunser说。

天然纤维

第1行显示了肌节的示意图。第2行显示了分子水平的三维肌节组织和可塑性。Raw 3：详细的肌肉蛋白质相互作用。前两个气泡显示了肌球蛋白头与肌动蛋白的相互作用。第三个气泡显示了A波段中的肌动蛋白，原肌球蛋白和肌钙蛋白的详细信息。最后一个气泡描绘了Z盘中a-肌动蛋白交联肌动蛋白丝的不规则网格。©分子生理学MPI　　

　　肌原纤维的计算重建显示了肌节的三维组织，包括子区域M-，A-和I-带以及Z盘，它们意外地形成了更不规则的网格并采用了不同的构型。科学家使用了肌球蛋白与肌动蛋白牢固结合的样本，代表了肌肉收缩的一个阶段，即所谓的严格状态。实际上，他们可以首次在天然细胞中观察到同一肌球蛋白的两个头部如何与肌动蛋白丝结合。他们还发现双头不仅与相同的肌动蛋白丝相互作用，而且还发现分裂在两条肌动蛋白丝之间。这以前从未见过，表明与下一个肌动蛋白丝的邻近性比相邻头之间的协同作用更强。

  “这仅仅是开始。电子低温断层扫描正从利基向结构生物学的广泛技术转变。” Raunser说道。“很快我们将能够在分子甚至原子水平上研究肌肉疾病”。小鼠的肌肉与人类的肌肉非常相似，但科学家计划研究活检或多能干细胞来源的肌肉组织。

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