Credit: CC0公共域
肥厚型心肌病(HCM)是所有遗传性心脏病中最常见的，也是心脏性猝死的主要原因
其特征是心肌异常增厚，随着时间的推移，可导致心脏功能障碍，最终导致心力衰竭
一篇发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的论文，由加州大学圣巴巴拉分校机械工程教授、校园生物工程研究所所长贝丝·普鲁特合著，描述了一项复杂的长期合作的结果，该合作包括斯坦福大学、华盛顿大学和肯塔基大学的研究人员
这项研究使人们对基因突变如何在细胞水平上导致HCM病有了新的认识，并对如何预防这种疾病有了新的看法
在他们的论文中，作者解释说，已经发现了1000多种导致HCM的基因突变
它们中的大多数存在于编码肌聚蛋白的基因中，肌聚蛋白是心肌的结构构件，负责产生和调节收缩和舒张
大约三分之一的突变位于β心脏肌球蛋白，这是驱动心脏细胞收缩的主要蛋白质
心肌和我们身体其他肌肉的收缩，是运动蛋白肌球蛋白沿着肌动蛋白分子链“行走”的过程，这一过程被称为跨桥循环
在这个过程中，ATP形式的化学能转化为机械能，最终导致心脏收缩
在收缩之前，一个缠绕的双链肌球蛋白分子的一条链的头部被卷起来对抗肌动蛋白分子
当被称为生物系统“能量货币”的ATP分子与肌球蛋白头部结合时，肌肉收缩就开始了
然后，肌球蛋白头和附着的三磷酸腺苷从肌动蛋白上分离，开始水解三磷酸腺苷，转化为二磷酸腺苷和磷酸基团
这一过程释放出能量，将肌球蛋白蛋白质“公鸡”成高能状态，并改变肌球蛋白的形状，使其准备沿着肌动蛋白爬行
此时，磷酸从肌球蛋白中释放出来，导致肌球蛋白推动肌动蛋白并释放磷酸，这导致肌球蛋白走到下一条肌动蛋白链并收缩肌肉
所有这些，包括数百万头肌球蛋白以几微秒的时间穿过肌动蛋白，必须以适当的速度进行，以保持心脏健康
因为在β心脏肌球蛋白蛋白突变的患者中经常观察到HCM，所以有人假设HCM突变会引起一连串的事件，最终表现为心脏本身的损伤
这项研究将这一想法付诸试验，重点放在单个突变P710R上，与导致运动速度增加的其他MYH7突变相比，P710R显著降低了体外运动速度——肌球蛋白运动在肌动蛋白上行走的速度
这个项目的首要研究问题是了解与患者心脏病相关的突变如何在细胞水平上改变心脏功能
该团队利用CRISPR技术，通过将P710R突变插入人类诱导多能干细胞心肌细胞(负责心脏收缩的细胞)中，对其进行编辑
普鲁特领导着UCSB的干细胞库，在那里，没有遗传异常的“干净”细胞系被保存下来，并为大学研究人员进行繁殖
这种干净、无突变的细胞系为与细胞进行比较提供了一个完美的基准，以非常精确地观察P710R突变的影响
例如，研究小组现在正在测试相同遗传背景下与心脏病相关的不同突变的影响
“你可以有十个人在这种蛋白质中有相同的基因突变，他们可以有不同程度的临床意义，因为他们基因组的其余部分是不同的；这就是我们成为个体的原因，”普鲁特说
“这些线让我们检查基因突变的结果是什么
通过比较不同突变的效果，我们可以开始梳理这些变化是如何导致HCM的
它允许我们仔细观察细胞如何以及为什么以这种方式适应突变，并获得数据，将其与心脏壁的厚度和所有其他发生在下游的事情联系起来
" 这项研究开始于将近15年前，当时普鲁特还在斯坦福大学，并促成了这篇合作论文
现在，CRISPR技术使研究人员能够设计表达与心脏病相关的特定突变的细胞，然后评估分子和功能变化，以确定在HCM患者中发现的单个突变的细胞影响
这些研究将提供一个关于个体突变如何在分子水平上转化为患者HCM的机械理解
在这个项目中，一旦引入突变，就在普鲁特实验室(UCSB)和伯恩斯坦实验室(斯坦福大学)的合作下，使用牵引力显微镜对细胞进行分析，这种分析可以同时观察跳动的细胞及其产生的力
斯坦福大学的Spudich实验室利用光阱在分子水平上对相同的突变蛋白质进行了单独的研究，在光阱中，当肌球蛋白头沿着肌动蛋白行走时，施加光压力来精确控制保持在珠子之间的肌动蛋白“哑铃”的位置和力，以测量肌球蛋白的动力循环
该分析显示P710R突变减小了肌球蛋白运动的步长(即
e
每个步骤的长度)和肌球蛋白与肌动蛋白分离的速率
在与肯塔基大学研究员肯尼斯·坎贝尔的合作中，这些观察结果与细胞内肌球蛋白马达如何相互作用产生力的计算模型进行了比较
结果证实了肌球蛋白“超松弛状态”调节的关键作用
”正如普鲁特解释的那样，“肌球蛋白头部花大量时间处于超松弛状态，指的是它何时与肌动蛋白脱离
任何改变肌球蛋白马达与肌动蛋白结合的时间或强度的突变或药物都会改变细胞力的产生，并改变驱动重塑和生长或肥大的下游信号事件
" 这项研究中的P710R突变被发现会破坏超松弛状态的稳定性
结果，更多的肌球蛋白头与含有突变的细胞中的肌动蛋白结合，这解释了在这些细胞中观察到的力的增加
对普鲁特来说，除了重要的科学发现之外，这项工作的一个关键收获是持续合作的价值
她说:“论文所涉及的尺度通常不是任何一个实验室甚至任何两个实验室的研究主题。”
“这就是为什么这篇论文有这么多作者，包括几个和我一起工作的学生和博士后，詹姆斯·斯普迪奇和丹尼尔·伯恩斯坦
“这在科学上意义重大，但也令人满意，因为这种集成水平使得在多个尺度上测试这一想法成为可能
普鲁特说:“在这些实验室和这些技能之间进行如此广泛、多学科的合作，看到分子测量和计算的力量，以及细胞衍生的测量让我们能够进行基因工程并剖析出一个单一的突变，这很有趣。”
“这真的是惊人的，直接测试一个特定的突变如何引入导致HCM的变化
" 由于这种合作，普鲁特补充说，“我们可以理解细胞水平上发生的事情
然后我们可以开始开发模型，并确定下一代药物疗法
不仅仅是识别症状，我们还可以研究功能障碍背后的机制，然后在它变成疾病之前，在细胞水平上解决这些问题
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
