肌小节（肌小节名词解释生理学）

一直以来，人们都在研究肌节的结构，以提高对肌肉工作机制的认识。自300多年前安东尼·范·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)首次在显微镜下观察肌节以来，随着显微镜尤其是电子显微镜技术的发展，对肌节结构的研究不断深入。

1954年，两篇关键文章[2，3]提出肌丝滑动理论，通过观察肌节结构来解释肌肉收缩[注1]。在随后的几十年里，研究人员获得了不同种类肌肉段的二维图像，一些研究人员通过断层扫描重建了肌肉段的三维图像。然而，由于技术的限制，肌肉样品通常需要经过许多步骤，如化学固定、染色、机械切割等。，这将产生人工伪影，导致不仅图像分辨率有限，而且样本通常局限于非常规则的肌肉(如昆虫肌肉)。

因此，近年来对肌肉相关结构的研究大多采用分而治之的策略:由于获取整个肌肉段结构存在诸多困难，研究人员采用先进的结构生物学方法(如X射线结晶学和单粒子冷冻-电磁)获得单一的高分辨率蛋白质或蛋白质复合结构。他们通过这些单独的结构推断它们在肌节中的相互作用。然而，蛋白质在不同的环境中表现出不同的形状。为了真正了解肌肉的组成，收缩和放松时的状态，以及各种肌肉疾病的机制和诱因，仍然需要研究一个完整肌肉段的结构。

2021年3月24日，德国马克斯·普朗克分子生理学研究所Stefan Raunser团队(共同第一作者为王和Michael Grange)和英国国王大学学院Mathias Gautel团队在《细胞》杂志发表了一篇题为《脊椎动物骨骼肌中肌母细胞组织的分子基础》的文章。研究人员利用最新的冷冻聚焦离子束铣削技术和电子冷冻断层扫描技术，首次揭示了肌节的高分辨率三维图像，肌节是骨骼和心肌细胞的基本收缩单位。

首先，作者采用快速冷冻的方法，在极低的温度(约-175℃)下，使从小鼠体内提取的肌原纤维保持接近原始状态。随后，通过聚焦离子束将肌原纤维切成约100纳米厚的薄片。作者利用电子冷冻断层扫描的方法[注2]，在没有任何染色的情况下，直接观察到了肌节完整的三维结构。

整个过程对肌肉样品的损伤很小，最大限度地保持了蛋白质的水合状态和原创性。在电子显微镜下，肌节的各个区域，如M带、A带、I带和Z盘，都可以被清楚地区分。在更高的放大倍数下，研究人员可以三维空追踪每一条肌丝，甚至可以看到整个肌节中单个蛋白质亚单位的精细结构。

图2。透射电镜下肌节的亚结构和示意图

首先，作者分析了A带中的跨线桥。十字桥是粗细肌丝的横向连接，由肌球蛋白的头域组成，也是肌丝滑动的“马达”。由于极高的分辨率，可以直接观察到每个肌球蛋白的头部。通过分析这些横桥的分布，作者发现横桥总体上每隔37 nm出现一次，但具体的结合位点和横桥的数量是随机的，这表明肌球蛋白和肌动蛋白在肌肉中的结合仅受其位置和方向的限制，没有其他因素对其进行调控。同时，作者还发现肌球蛋白的两个头部可以被两个不同的细丝分开和结合。然后，作者首次用亚断层图像平均法分析了双手肌球蛋白与细丝结合的完整结构。这种分辨率约为1纳米的结构原位揭示了肌球蛋白、肌动蛋白和原肌球蛋白的结合细节。同时，这种双头肌球蛋白结构显示出一种新颖的构型。轻链中两个头部的弯曲完全相反，这第一次解释了肌球蛋白的两个头部是如何同时工作的，并能产生相同的扭矩和步幅。

图3。A带中细丝和肌球蛋白复合体的结构

接下来，作者把注意力转向了工字带，这是连接A带和Z线的区域。长期以来，科学家们从肌节的横截面发现肌丝在A带呈六边形，在Z线上呈四边形，但不知道这两种分布是如何过渡的。通过追踪I带中的每一条肌丝，作者证实了在这一转变中没有固定的规律。通过子断层图的平均，作者还分析了I区的细丝结构。有趣的是，I带的肌动蛋白伴侣和A带的肌动蛋白伴侣呈现不同的位置。虽然科学家已经在体外知道肌动蛋白根据是否结合肌球蛋白和钙离子的浓度来改变状态，但这种原位结构的差异告诉我们肌节中肌动蛋白的调节不是全局的，而是局部的。

图4。工字带细丝结构

最后，分析了Z线区域的结构。与以往从二维图像中获得的信息不同，作者发现Z线的厚度可以改变，就像平行铰链一样，这些不同的构型可能与肌肉片段中的张力有关。通过分析Z线区域(即α-肌动蛋白)的细丝和横向连接，作者得到了Z线区域的三维分子模型。与以往的认知不同，该模型呈现出不规则的α-肌动蛋白网络。同时，作者还发现α-肌动蛋白以大约6 nm的间隔成对出现，这表明它们可以与两个相邻的肌动蛋白亚基结合。

图5。Z线区域的组织结构

综上所述，这项研究是科学家首次在分子水平上直观地探索肌节的三维结构。研究人员观察了最接近真实状态的肌节中蛋白质的分布，揭示了与肌丝相关的蛋白质的一系列分子细节，颠覆了大多数人对肌节中结构像几何图形一样规则的认知，展示了哺乳动物肌肉结构的灵活性。这些看似“非正式”的不规则组合帮助哺乳动物的肌肉应对各种外力。更重要的是，这项研究只是一个开始，类似的方法可以很容易地扩展到不同状态甚至疾病的肌肉样本。由于老鼠的肌肉与人类的肌肉非常相似，研究人员计划从活检或多能干细胞中研究肌肉组织。很快人们就能在分子甚至原子水平上研究肌肉疾病和衰老，为未来治疗肌肉疾病打下良好的基础。

德国马克斯·普朗克分子生理学研究所的Stefan Raunser小组正在寻找优秀的博士后和博士生。

简历投递(如有兴趣，请将简历及其他材料发送至):

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt

注:肌丝滑动理论:在一个肌节中，粗肌丝和细肌丝交替排列，细肌丝和粗肌丝的长度保持不变，细肌丝在粗肌丝之间的滑动导致肌节长度缩短，从而形成肌肉收缩。

注:电子断层扫描:电子显微镜成像的一种策略。当样品沿轴倾斜时，透射电子显微镜可以从多个角度获取投影图像，最后通过计算重建三维图像。

原始链接:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.047

制版师:11人

参考

1.乡绅JM。(2016)肌肉收缩:滑丝历史，肌节动力学和两个赫胥黎，全球心脏病学科学与实践2016:11

2.h .赫胥黎和j .汉森(1954)。肌肉在收缩和拉伸过程中横纹的变化及其结构解释。自然173，973–976。

3.赫胥黎和尼德格尔克(1954)。收缩时肌肉的结构变化；活体肌肉纤维的干涉显微术。自然173，971–973。