Связи между нервной системой и мышцами развиваются по-разному в разных царствах жизни. Новорожденным людям требуется примерно год, чтобы развить надлежащие мышечные системы, которые поддерживают способность ходить, в то время как коровы могут ходить всего через несколько минут после рождения и бегать вскоре после этого.

Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего, используя новые мощные технологии визуализации, теперь имеют ясную картину того, почему эти два сценария развиваются так по-разному. Результаты предлагают новый взгляд на понимание сокращения мышц у людей, что может помочь в разработке будущих методов лечения мышечных заболеваний.

«В этом исследовании мы намеревались понять молекулярные детали, участвующие в сокращении мышц в точке контакта между двигательными нейронами и скелетными мышцами, то есть мышцами, которыми мы сознательно управляем», — сказал профессор Школы биологических наук Райан Хиббс о новом исследовании, опубликованном в журнале Nature .

«Мы выяснили, как меняется состав мышечного белка в процессе развития, что важно в контексте заболеваний, вызывающих прогрессирующую мышечную слабость».

Способность скелетных мышц сокращаться позволяет нашему телу двигаться — от ходьбы и прыжков до дыхания и моргания глазами. Все сокращения скелетных мышц происходят на стыке между двигательными нейронами , которые берут начало в спинном мозге и стволе мозга, и мышечными волокнами.

Именно здесь нейроны выделяют химическое вещество-трансмиттер под названием ацетилхолин. Эти молекулы связываются с белковым рецептором на клетках мышц, открывая отверстие в клеточной мембране. Электрические токи поступают в клетку, что заставляет мышцы сокращаться.

То, как нейроны выделяют химические вещества, которые взаимодействуют с мышцами, было модельной системой, изучаемой более века. Но недостающей частью этой системы были визуальные изображения того, как работает этот процесс. Как выглядит структура белка мышечного рецептора, который открывается?

Чтобы выяснить это, Хиббс, первый автор исследования Хуанхуан Ли, постдокторант, и Цзиньфэн Тэн, аналитик данных исследований, обратились к технологии криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), основанной на новой технологической песочнице Goeddel Family Technology Sandbox Калифорнийского университета в Сан-Диего, центре передовых исследовательских инструментов. Крио-ЭМ использует сверхмощные микроскопы для получения изображений молекул, которые «заморожены» на месте.

Развитие мышечных рецепторов в раннем и взрослом возрасте. Кредит: Hibbs Lab, UC San Diego
Результаты включали первую визуализацию трехмерной структуры ацетилхолинового рецептора мышц. Поскольку человеческую ткань трудно получить для таких исследований мышечного сокращения, исследователи получили доступ к образцам эмбриональной ткани из скелетных мышц коровы.

Чтобы выделить рецептор в образцах, исследователи обратились к маловероятному источнику: змеиному яду . Ядовитый змеиный нейротоксин, парализующий добычу, был использован для фиксации на мышечных рецепторах в образцах коров, что позволило исследователям выделить рецепторы для их изучения. Затем визуализации крио-ЭМ позволили исследователям наблюдать, как разворачивается процесс развития рецепторов.

Вместе с новыми данными пришло и счастливое открытие. Исследователи обнаружили, что они могут видеть структуры как фетальных, так и взрослых рецепторов из одних и тех же образцов тканей плода коровы.

«Мы надеялись увидеть структуру рецептора, и мы ее увидели, но мы также увидели, что существуют две его разные версии», — сказал Хиббс. «Это было сюрпризом».

Оглядываясь назад, Хиббс считает, что открытие двух типов рецепторов имеет смысл. Поскольку телята развиваются в утробе матери, фетальные рецепторы были ожидаемы. Чтобы ходить как взрослый вскоре после рождения, они начинают формировать взрослые нервно-мышечные связи гораздо раньше в развитии.

«Это открытие объясняет, как животные, такие как коровы, которым нужно ходить в день рождения, формируют зрелые нервно-мышечные соединения до рождения, в отличие от людей, у которых плохая мышечная координация в течение нескольких месяцев после рождения», — сказал Хиббс. «Возможность видеть детали рецепторов позволяет нам связать их различия с тем, как один обеспечивает нервно-мышечную связь, а другой — сокращение мышц».

Результаты исследования уже применяются для изучения мышечных расстройств, таких как врожденные миастенические синдромы (ВМС), которые приводят к мышечной слабости. Распространенное аутоиммунное заболевание, известное как миастения гравис, включает антитела, которые ошибочно атакуют ацетилхолиновый рецептор мышц, вызывая слабость скелетных мышц.

«Этот новый уровень понимания мышечного рецептора поможет исследователям понять, как мутации в его гене вызывают заболевания, и может способствовать персонализированному лечению отдельных пациентов с различными патологиями в будущем», — сказал ведущий автор Ли.