一篇发表在美国国家科学院院刊 (PNAS) 上、由加州大学圣巴巴拉分校机械工程教授兼校园生物工程研究所所长 Beth Pruitt 合着的论文描述了一项复杂的长期研究的结果。 包括斯坦福大学、华盛顿大学和肯塔基大学的研究人员的合作。 该研究使人们对基因突变如何在细胞水平上发挥作用以导致 HCM 有了新的认识，并为如何预防它提供了新的视角。
在他们的论文中，作者解释说，已经确定了超过一千种导致 HCM 的基因突变。 它们中的大多数存在于编码肌节蛋白的基因中，肌节蛋白是心肌的结构构建块，负责产生和调节收缩和放松。 大约三分之一的突变位于 β 心肌肌球蛋白中，它是驱动心脏细胞收缩的主要蛋白质。 心肌和我们身体中的所有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”的过程的结果，这个过程被称为横桥循环。 在此过程中，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，交织在一起的双链肌球蛋白分子的一条链的头部紧贴肌动蛋白分子。 当被称为生物系统“能量货币”的 ATP 分子与肌球蛋白头结合时，肌肉收缩开始。 肌球蛋白头部和附着的 ATP 然后与肌动蛋白分离，启动 ATP 水解，转化为 ADP 和一个磷酸基团。 这个过程会释放能量，将肌球蛋白“推”到高能量状态，并改变肌球蛋白的形状，使其准备好沿着肌动蛋白爬行。 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，这导致肌球蛋白走向下一条肌动蛋白链并收缩肌肉。 所有这一切，涉及数百万个肌球蛋白头，以微秒完成的步骤穿过肌动蛋白，必须以适当的速度发生，以保持心脏健康。
由于 HCM 经常出现在 β 心肌肌球蛋白突变的患者中，因此假设 HCM 突变会导致一系列事件，最终会导致心脏本身受损。 这项研究对这一想法进行了测试，重点是单个突变 P710R，它显着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 - 与导致运动性增加的其他 MYH7 突变形成对比 速度。
该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。
该团队使用 CRISPR 技术通过将 P710R 突变插入其中来编辑人类诱导的多能衍生干细胞心肌细胞（负责心脏收缩的细胞）。 Pruitt 领导 UCSB 的干细胞库，在那里为大学研究人员维护和复制没有遗传异常的“干净”细胞系。 这种干净、无突变的细胞系为与细胞进行比较以非常精确地观察 P710R 突变的影响提供了完美的基准。 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 10 个人在这种蛋白质中具有相同的基因突变，他们可能具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；这就是使我们成为个体的原因，”普鲁伊特说。 “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影响，我们可以开始梳理这些变化如何导致 HCM。它使我们能够仔细观察细胞如何以及为什么适应 以这种方式突变，并获取数据并将其与心脏壁的厚度和下游发生的所有其他事情联系起来。”
这项研究始于近 15 年前，当时普鲁伊特还在斯坦福大学，并导致了这篇合作论文。 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，以确定已在 HCM 患者中发现的单个突变对细胞的影响。 这些研究将为分子水平的个体突变如何转化为患者的 HCM 提供机制理解。
在该项目中，一旦引入突变，Pruitt 实验室 (UCSB) 和 Bernstein 实验室（斯坦福大学）合作对细胞进行检测，使用牵引力显微镜，这种检测可以同时观察跳动的细胞和 它产生的力。 Spudich 实验室（斯坦福大学）使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，其中施加光压以精确控制当肌球蛋白头行走时保持在珠子之间的肌动蛋白“哑铃”的位置和力 沿着肌动蛋白，测量肌球蛋白的功率循环。 该测定表明，P710R 突变降低了肌球蛋白运动的步长（即每一步的长度）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 Kenneth Campbell 的合作中，这些观察结果与肌球蛋白马达如何在细胞中相互作用以产生力的计算模型进行了比较。 结果证实了调节所谓的肌球蛋白“超松弛状态”的关键作用。 正如 Pruitt 解释的那样，“肌球蛋白头花费大量时间处于超级放松的状态，指的是它何时与肌动蛋白结合。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 产生和改变驱动重塑和生长或肥大的下游信号事件。”
发现本研究中的 P710R 突变会破坏超放松状态。 结果，在携带突变的细胞中，更多的肌球蛋白头与肌动蛋白结合，这解释了在这些细胞中观察到的力量增加。
对于普鲁伊特来说，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。 “论文涵盖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，”她说。 “这就是为什么这篇论文有这么多作者，包括与我一起工作的几名学生和博士后，James Spudich 和 Daniel Bernstein。
“这在科学上很重要，但也很令人满意，因为这种整合水平使得在多个尺度上测试这个想法成为可能。在如此广泛的多学科合作中跨这些实验室和这些技能工作很有趣，并看到了 分子测量和计算，以及细胞衍生的测量，使我们能够进行基因工程和剖析单个突变，”普鲁伊特说。 “这真的很了不起，直接测试特定突变如何引入导致 HCM 的变化。”
作为这次合作的结果，Pruitt 补充说：“我们可以了解细胞水平上发生了什么。然后我们可以开始开发模型并确定下一代药物疗法。我们不仅可以识别症状，还可以查看机制 它是功能障碍的基础，然后在它变成疾病之前在细胞水平上解决这些问题。”
