hjärtmuskelprotein

Unik studie filmar rörelsen av enskilda hjärtmuskelproteiner

Forskare vid Linnéuniversitetet har i samarbete med forskare vid McGill-Universitetet i Montreal, Kanada, i en unik studie filmat vad som händer på molekylär nivå inne i hjärtat när det pulserar.

– Det är första gången enskilda proteiner filmats när de rör sig och skapar hjärtmuskelns sammandragningar. Det är oerhört fascinerande att verkligen kunna se detta på film, säger Alf Månsson, professor i fysiologi vid Linnéuniversitetet.

När hjärtat pumpar blod binder tusentals miljarder av molekylmotor-proteinet myosin i hjärtmuskeln till det trådformade proteinet aktin, tar tag i detta och drar som vid repdragning. De aktuella motorerna är förstås mycket små, runt 10 nanometer långa, ungefär samma som diametern hos aktintrådarna.

Efter varje hjärtslag är det viktigt att hjärtmuskeln snabbt slappnar av för att hjärtat ska kunna fyllas med nytt blod. Denna avslappningsprocess, liksom övergången från avslappnat tillstånd till pumpning, beror på att proteinerna tropomyosin och troponin rör sig över aktintrådarnas yta.

När hjärtat är avslappnat gör dessa troponin-tropomyosin-komplex att bindningsställena för myosin täcks på aktinet. Och tvärtom, vid hjärtmuskelaktivitet. Då flyttar sig troponin och tropomyosin så att myosinet kan ta tag i aktinet och dra. Detta sker när kalciumjoner frisätts inuti hjärtmuskeln till följd av elektrisk aktivitet i hjärtat.

– Det är mycket viktigt att förstå detaljerna i dessa processer, säger Alf Månsson. Vid en rad sjukdomar, som hjärtsvikt och de genetiska sjukdomar i hjärtat som är den viktigaste orsaken till plötslig hjärtdöd hos unga, är de här processerna störda på olika sätt. Därför behöver vi veta hur de fungerar i normalläge.

Hittills bygger forskarnas förståelse av denna process bland annat på elektronmikroskopiska stillbilder, där man fångat olika relativt stabila strukturella tillstånd av isolerade aktintrådar med troponin och tropomyosin. För att kunna ta bilderna har man fått fixera proteinerna genom frysning eller med diverse fixerande kemikalier.

– Det vi gjort i denna studie är något helt unikt. Vi har nämligen använt en ny teknik, ”hög-hastighets-atomkraftsmikroskopi” (high-speed AFM; hs-AFM), som gjort att vi utan att behöva fixera proteinet för första gången kunnat skapa filmer, som med en tidsupplösning av ner mot en tiondels sekund visar när troponin och tropomyosin flyttar sig fram och tillbaka över aktinets yta.

Forskarna har nu för första gången kunnat visa att aktiveringsprocessen (då kalcium binder till troponin) är betydligt mer dynamisk än man tidigare trott. Enskilda molekyler, och andra föremål i nanometerstorlek, befinner sig som i en storm där de hela tiden knuffas hit och dit av kollisioner med massor av vattenmolekyler som rör sig med hög hastighet.

– Denna så kallade Brownska rörelse ser vi tydligt i våra studier och den gör att tropomyosin, även i frånvaro av kalcium, kan röra sig så mycket att vissa bindningsställen på aktinet exponeras för myosinbindning när systemet i stort är avslappnat. Detta gör det enklare att förstå hur enskilda mutationer som minskar styvheten (ökar flexibiliteten) hos tropomyosin-tråden kan orsaka hjärtmuskelsjukdomar, säger Alf Månsson.

Mer information

Studien är ett samarbete med McGill-universitetet i Montreal, Kanada.

Artikeln ”High-speed AFM reveals sub-second dynamics of cardiac thin filaments upon Ca2+ activation and heavy meromyosin binding” av Alf Månsson, Oleg Matusovsky, Malin Persson, Yu-Shu Cheng och Dilson E Rassier och är publicerad i Proceedings of National Academy of Sciences, USA. Artikeln i sin helhet finns publicerad här: https://www.pnas.org/content/early/2019/07/26/1903228116.

Medförfattaren Malin Persson var tidigare doktorand hos Alf Månsson vid Linnéuniversitetet, och övergick sedan till en post-doc vid McGill-universitetet, där hon bland annat arbetade med den här studien.

Kontakt

Alf Månsson, professor i fysiologi, telefon 070-886 62 43, mejl alf.mansson@lnu.se
Annika Sand, pressansvarig, telefon 076-830 01 05, mejl annika.sand@lnu.se

Faktaruta

Aktin = Trådformigt protein som är centralt i alla cellers rörelse
Myosin = Muskelns molekylmotorprotein
Troponin = Protein som är ungefär klotformat med ett par nanometers diameter
Tropomyosin = Trådformigt protein med diametern 2 nanometer
hs-AFM/high-speed AFM = ”Hög-hastighets-atomkraftsmikroskopi”
Nanometer = 1/1000 000 mm
Kardiomyopati = Hjärtmuskelsjukdom

Bildtext Figuren visar strukturer av aktintrådar, rekonstruerade och naturliga tunna trådar sedda genom HS-AFM. I figuren är tropomyosin markerat med gröna linjer, troponin indikeras med blå pilar och myosin med röda pilar. Figuren återges med tillstånd från Proceedings of the National Academy of Sciences, USA.
Figuren visar strukturer av aktintrådar, rekonstruerade och naturliga tunna trådar sedda genom HS-AFM. I figuren är tropomyosin markerat med gröna linjer, troponin indikeras med blå pilar och myosin med röda pilar. Figuren återges med tillstånd från Proceedings of the National Academy of Sciences, USA.