Original Material
Сердечные тайны тарантула
В 2018 году за выдающиеся достижения в оригинальных научных исследованиях наш коллега, биофизик из Венесуэлы Рауль Падрон (Raúl Alejandro Padrón Cremа), был избран иностранным членом Национальной Академии наук США. Недавно в Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) вышла его инаугурационная статья в соавторстве с учеными из разных стран, в том числе и нашим скромным участием, посвященная исследованию молекулярных структурных изменений, происходящих при сокращении мышцы ноги тарантула [1]. Несмотря на экзотический объект исследования, эта работа не только позволяет понять механизмы работы самых разных мышц животных и человека, но и имеет непосредственное отношение к некоторым болезням сердца.
Рауль Падрон родился в Каракасе в Венесуэле в 1950 году. Еще школьником он заинтересовался наукой и начал работать в биохимической лаборатории. Он окончил университет в Каракасе по специальности инженер-электрик, затем с отличием защитил магистерскую работу по биологии, а в 1979 году получил степень PhD по биофизике. В 1980–1983 годах он был постдоком в лаборатории молекулярной биологии в Кембридже в группе Хью Хаксли (Hugh Huxley, 1924–2013), классика структурной биологии мышц и одного из авторов теории скользящих нитей, на которой основаны современные представления о молекулярном механизме мышечного сокращения. О годах, проведенных в Кембридже, и о своем учителе Хью Хаксли Рауль написал очень теплые воспоминания, полные как научных, так и личных впечатлений [2].
В 1983 году Падрон вернулся на родину и начал работать в Венесуэльском институте научных исследований, в котором основал и возглавил центр структурной биологии. В 1997–2011 годах он был иностранным стипендиатом Медицинского института Ховарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute). Экономический и политический кризис в Венесуэле, особенно усугубившийся после прихода к власти Николаса Мадуро в 2013 году, превратил работу Падрона и его группы в ежедневный подвиг. В 2017 году им перестали платить зарплату, время от времени правительство выключало Интернет; общение с иностранными коллегами и поддержание работы лаборатории требовало невероятных усилий. В стране не работал общественный транспорт, не хватало предметов первой необходимости. Венесуэлу покинули 14% жителей, в том числе все четверо детей семьи Падрон. Несмотря на это, Рауль оставался в Каракасе, продолжал научную работу и регулярно публиковал новые статьи. Только в прошлом году Падрон с женой, тоже научным сотрудником, переехал в США и теперь работает в университете Массачусетса.
Много лет назад Рауль Падрон обнаружил, что микроскопические нити, образованные моторным белком миозином в мышцах тарантула, длиннее и толще, а, главное, гораздо лучше упорядочены, чем в мышцах позвоночных. Это делает мышцы тарантула идеальным объектом для структурных исследований. Все мышцы сокращаются в результате взаимодействия миозиновых молекул с актином.
Источником энергии для механической работы служит гидролиз АТФ, катализуемый миозином, как обнаружили в 1938 г. В. А. Энгельгардт и М. Н. Любимова. Длинные стержневые части миозиновых молекул образуют стволы толстых нитей, из которых выступают глобулярные моторные фрагменты молекул — головки. При сокращении мышцы головки присоединяются к тонким нитям, образованным другим белком — актином, и тянут их, что приводит к относительному перемещению толстых и тонких нитей и сокращению мышцы, КПД которой может превышать 50%.
Взаимодействие миозина с актином при сокращении мышцы увеличивает скорость гидролиза АТФ миозином в 1000 раз. В расслабленной мышце скорость гидролиза АТФ еще в 10 раз меньше, чем у изолированных миозиновых головок. Падрон и его коллеги определили структуру миозиновых нитей тарантула с помощью криоэлектронной микроскопии и обнаружили, что головки миозина плотно прилегают к стволу миозиновой нити и друг к другу, блокируя взаимодействие с актином и гидролиз АТФ [3]. Эта структура с более высоким разрешением показана на рисунке справа вверху; слева внизу — новорожденный тарантул.
Позднее подобные структуры были обнаружены в скелетных и сердечной мышцах позвоночных. Оказалось, что плотная упаковка головок на поверхности миозиновых нитей играет существенную роль в поддержании расслабленного состояния мышцы. Более того, выяснилось, что у пациентов с гипертрофической кардиомиопатией эта хорошо упорядоченная структура дестабилизируется. Таким образом, стало понятно, что для запуска мышечного сокращения недостаточно открыть актин для присоединения миозиновых головок — необходимо разобрать упорядоченную структуру на поверхности миозиновой нити, чтобы миозиновые головки освободились от соседей, смогли найти мономеры актина и присоединиться к ним. Эта задача в разных мышцах, по-видимому, решается по-разному.
В 2019 году Рауль его коллеги из Венесуэлы и США провели эксперименты на синхротроне APS в Чикаго и получили рентгенодифракционные диаграммы живых мышц ноги тарантула в покое (в центре рисунка) и при сокращении в различных режимах. Их, в частности, интересовала роль фосфорилирования миозина в запуске сокращения. Именно эта работа недавно опубликована в PNAS.
Наш скромный вклад состоял в том, чтобы показать, что атомная модель, полученная по данным криоэлектронной микроскопии, прекрасно описывает рентгенодифракционную картину живых мышц тарантула. Таким образом, был получен ответ на «проклятый вопрос» структурной биологии: насколько форма биологических объектов меняется в процессе замораживания или кристаллизации при использовании методов криоэлектронной микроскопии или рентгеновской кристаллографии.
Оказалось, что структуры нитей и головок миозина в мышце тарантула in vivo такие же, как в ЭМ-образцах, с точностью до разрешающей способности методов. Мы также количественно оценили долю миозиновых головок, отходящих от ствола нити и участвующих в сокращении мышцы в различных условиях, и влияние фосфорилирования миозина на структурные изменения мышцы при ее сокращении.
Даже на фоне бушующей пандемии COVID-19 болезни сердца остаются наиболее частой причиной смерти в мире. Изучение молекулярных деталей работы и регуляции мышц может помочь понять молекулярные механизмы некоторых болезней сердца и способствовать разработке новых фармакологических препаратов и методов лечения.
Наталия Кубасова, Андрей Цатурян (НИИ механики МГУ)