Nervų sistemos ir raumenų ryšiai gyvybės karalystėje vystosi skirtingai. Naujagimiams reikia maždaug metų, kad išsivystytų tinkama raumenų sistema, palaikanti gebėjimą vaikščioti, o karvės gali vaikščioti praėjus vos kelioms minutėms po gimimo ir neilgai trukus bėgti.
Kalifornijos universiteto San Diego mokslininkai, naudodami galingas naujas vizualizacijos technologijas, dabar turi aiškų vaizdą, kodėl šie du scenarijai vystosi taip skirtingai. Rezultatai suteikia naujų įžvalgų, kaip suprasti žmonių raumenų susitraukimą, o tai gali padėti plėtoti būsimus raumenų ligų gydymo būdus.
„Šiame tyrime siekėme suprasti molekulines detales, susijusias su raumenų susitraukimu motorinių neuronų ir skeleto raumenų sąlyčio taške, o tai yra raumenys, kuriuos sąmoningai kontroliuojame“, – sakė Biologijos mokslų mokyklos profesorius Ryanas Hibbsas iš naujo tyrimo. paskelbta m Gamta.
„Mes atradome, kaip raumenų baltymo sudėtis keičiasi vystymosi metu, o tai svarbu ligų, sukeliančių progresuojantį raumenų silpnumą, kontekste.”
Skeleto raumenų gebėjimas susitraukti leidžia mūsų kūnams judėti – nuo vaikščiojimo ir šokinėjimo iki kvėpavimo ir mirksėjimo akimis. Visi griaučių raumenų susitraukimai atsiranda motorinių neuronų, kurie atsiranda nugaros smegenyse ir smegenų kamiene, ir raumenų skaidulų sandūroje.
Būtent čia neuronai išskiria siųstuvą, vadinamą acetilcholinu. Šios molekulės jungiasi prie baltymų receptorių raumenų ląstelėse, sukeldamos angą ląstelės membranoje. Į ląstelę patenka elektros srovės, dėl kurių raumenys susitraukia.
Tai, kaip neuronai išskiria chemines medžiagas, kurios bendrauja su raumenimis, buvo pavyzdinė sistema, tirta daugiau nei šimtmetį. Tačiau trūkstama šios sistemos dalis buvo vizualiai pavaizduota, kaip procesas veikia. Kaip atrodo atsiveriančio raumenų receptorių baltymo struktūra?
Kad tai išsiaiškintų, Hibbsas tiria pirmąjį autorių Huanhuaną Li, podoktorantą ir tyrimų duomenų analitiką Jinfeng Teng, panaudojo krioelektroninės mikroskopijos (krio-EM) technologiją, pagrįstą San Diego universiteto naujojoje Goeddel šeimos technologijų smėlio dėžėje. pažangiausius tyrimo instrumentus. Cryo-EM naudoja itin galingus mikroskopus, kad užfiksuotų molekulių, kurios yra „užšaldytos“ vietoje, vaizdus.
Rezultatai parodė pirmąsias raumenų acetilcholino receptoriaus 3D struktūros vizualizacijas. Kadangi tokiems raumenų susitraukimo tyrimams sunku gauti žmogaus audinių, mokslininkai paėmė vaisiaus audinių mėginius iš karvės skeleto raumenų.
Siekdami išskirti receptorių mėginiuose, tyrėjai kreipėsi į mažai tikėtiną šaltinį – gyvatės nuodus. Nuodingas gyvatės neurotoksinas, paralyžiuojantis grobį, buvo naudojamas karvių mėginiuose užfiksuoti raumenų receptorius, todėl mokslininkai galėjo izoliuoti receptorius, kad galėtų juos ištirti. Krio-EM vizualizacijos leido tyrėjams stebėti, kaip vyksta receptorių vystymosi procesas.
Kartu su naujais duomenimis atėjo ir liūdnas atradimas. Tyrėjai išsiaiškino, kad iš tų pačių vaisiaus karvės audinių mėginių jie galėjo matyti ir vaisiaus, ir suaugusiųjų receptorių struktūras.
„Mes tikėjomės pamatyti receptoriaus struktūrą ir mes tai matėme, bet taip pat matėme, kad yra dvi skirtingos jo versijos”, – sakė Hibbsas. „Tai buvo staigmena”.
Žvelgiant atgal, dviejų receptorių tipų atradimas yra prasmingas, pasak Hibbso. Kadangi veršeliai vystosi gimdoje, buvo tikimasi vaisiaus receptorių. Norėdami vaikščioti kaip suaugę netrukus po gimimo, jie pradeda kurti suaugusiųjų nervų ir raumenų ryšius daug anksčiau.
„Šis atradimas paaiškina, kaip gyvūnai, pavyzdžiui, karvės, kuriems reikia vaikščioti tą dieną, kai jos gimsta, prieš gimimą suformuoja subrendusias nervų ir raumenų jungtis, kitaip nei žmonės, kurių raumenų koordinacija keletą mėnesių po gimimo yra silpna“, – sakė Hibbsas. „Galimybė pamatyti receptorių detales leidžia mums susieti jų skirtumus su tuo, kaip vienas leidžia nervų ir raumenų ryšį, o kitas leidžia susitraukti raumenis.”
Tyrimo išvados jau taikomos tiriant raumenų sutrikimus, tokius kaip įgimtas miasteninis sindromas (CMS), sukeliantis raumenų silpnumą. Įprasta autoimuninė liga, vadinama myasthenia gravis, apima antikūnus, kurie klaidingai atakuoja raumenų acetilcholino receptorius ir sukelia skeleto raumenų silpnumą.
„Šis naujas raumenų receptorių įžvalgos lygis padės tyrėjams suprasti, kaip jo geno mutacijos sukelia ligas, ir ateityje gali palengvinti individualų gydymą atskiriems pacientams, sergantiems skirtingomis patologijomis“, – sakė pagrindinis autorius Li.