Svelare i misteri del cuore: una ricerca rivoluzionaria rivela i segreti del sarcomero

Gli scienziati hanno catturato la prima immagine 3D realistica del filamento spesso nel muscolo cardiaco dei mammiferi.

La fibrillazione atriale, l’insufficienza cardiaca e l’ictus sono tra le gravi condizioni di salute che possono derivare dalla cardiomiopatia ipertrofica, un fattore critico nella morte cardiaca improvvisa tra gli individui di età inferiore a 35 anni.

“Il muscolo cardiaco è un motore centrale del corpo umano. Naturalmente è più semplice riparare un motore rotto se si sa come è costruito e come funziona”, spiega Stefan Raunser. “All’inizio della nostra ricerca sui muscoli, abbiamo visualizzato con successo la struttura degli elementi essenziali per la costruzione dei muscoli e il modo in cui interagiscono utilizzando la criomicroscopia elettronica”.

“Tuttavia, queste erano immagini statiche di proteine ​​estratte dalla cellula vivente. Ci dicono solo poco su come l’interazione altamente variabile e dinamica delle componenti muscolari muove il muscolo nel suo ambiente nativo”, afferma Raunser.

Tra alti e bassi

I muscoli scheletrici e cardiaci si contraggono in seguito all’interazione di due tipi di filamenti proteici paralleli nel sarcomero: sottili e spessi. Il sarcomero è suddiviso in più regioni, dette zone e bande, nelle quali questi filamenti sono disposti in modo diverso.

Il filamento sottile è costituito da F-actina, troponina, tropomiosina e nebulina. Il filamento spesso è formato da miosina, titina e proteina C legante la miosina (MyBP-C). Quest’ultimo può formare collegamenti tra i filamenti, mentre la miosina, la cosiddetta proteina motrice, interagisce con il filamento sottile per generare forza e contrazione muscolare.

Le alterazioni delle proteine ​​dei filamenti spessi sono associate a malattie muscolari. Un quadro dettagliato del filamento spesso sarebbe di enorme importanza per lo sviluppo di strategie terapeutiche per curare queste malattie, ma finora è mancato.

Pietre miliari nella ricerca muscolare

“Se si vuole comprendere appieno come funziona il muscolo a livello molecolare, è necessario immaginare i suoi componenti nel loro ambiente naturale: una delle maggiori sfide della ricerca biologica odierna che non può essere affrontata con gli approcci sperimentali tradizionali”, afferma Raunser.

Per superare questo ostacolo, il suo team ha sviluppato un flusso di lavoro di crio-tomografia elettronica specificamente adattato allo studio di campioni muscolari: gli scienziati congelano rapidamente campioni di muscolo cardiaco di mammiferi, prodotti dal gruppo Gautel di Londra, a una temperatura molto bassa (- 175 °C ).

Struttura 3D del sarcomero che mostra filamenti spessi (viola) e sottili (verdi). Credit: MPI of Molecular Physiology-

Ciò preserva la loro idratazione e struttura fine e quindi il loro stato nativo. Un fascio ionico focalizzato (fresatura FIB) viene quindi applicato per assottigliare i campioni fino a uno spessore ideale di circa 100 nanometri per il microscopio elettronico a trasmissione, che acquisisce più immagini mentre il campione viene inclinato lungo un asse. Infine, i metodi computazionali ricostruiscono un’immagine tridimensionale ad alta risoluzione.

Negli ultimi anni, il gruppo di Raunser ha applicato con successo il flusso di lavoro personalizzato, dando vita a due recenti pubblicazioni rivoluzionarie: questi ricercatori hanno prodotto le prime immagini ad alta risoluzione del sarcomero e di una proteina muscolare finora nebulosa chiamata nebulina. Entrambi gli studi forniscono informazioni senza precedenti sull’organizzazione tridimensionale delle proteine ​​muscolari nel sarcomero, ad esempio su come la miosina si lega all’actina per controllare la contrazione muscolare e su come la nebulina si lega all’actina per stabilizzarla e determinarne la lunghezza.

Completamento del dipinto

Nel loro studio attuale, gli scienziati hanno prodotto la prima immagine ad alta risoluzione del filamento spesso cardiaco che si estende attraverso diverse regioni del sarcomero. “Con una lunghezza di 500 nm si tratta della struttura più lunga e più grande mai risolta dalla crio-ET”, afferma Davide Tamborrini dell’MPI Dortmund, primo autore dello studio.

Ancora più impressionanti sono le nuove conoscenze acquisite sull’organizzazione molecolare del filamento spesso e quindi sulla sua funzione. La disposizione delle molecole di miosina dipende dalla loro posizione nel filamento.

Gli scienziati sospettano che ciò permetta al filamento spesso di percepire ed elaborare numerosi segnali di regolazione muscolare e quindi di regolare la forza della contrazione muscolare a seconda della regione del sarcomero. Hanno anche rivelato come le catene di titina corrono lungo il filamento. Le catene di titina si intrecciano con la miosina, fungendo da impalcatura per il suo assemblaggio e probabilmente orchestrando un’attivazione del sarcomero dipendente dalla lunghezza.

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“Il nostro obiettivo è quello di dipingere un quadro completo del sarcomero, un giorno. L’immagine del filamento spesso in questo studio è “solo” un’istantanea dello stato rilassato del muscolo. Per comprendere appieno come funziona il sarcomero e come è regolato, vogliamo analizzarlo in diversi stati, ad esempio durante la contrazione”, afferma Raunser. Il confronto con campioni di pazienti affetti da malattie muscolari contribuirà in definitiva a una migliore comprensione di malattie come la cardiomiopatia ipertrofica e allo sviluppo di terapie innovative.

Fonte:Nature