Science：微管去酪氨酸化控制心肌細胞跳動機制

　　在人類心臟的眾多神秘當中，首要的是心肌。在人的一生當中，心臟大約每秒跳動一次，沒有休息時間。考慮到它的至關重要性，令人尷尬的是，科學家們直到近期才能夠直接觀察它不斷運動的亞細胞結構（如心肌）。

　　如今，在一項新的研究中，來自美國賓夕法尼亞大學的研究人員利用新的高分辨率顯微鏡發現在心臟中，被稱作微管（microtubule, MT）的分子支撐物（molecular strut）與心臟的收縮機構（contractile machinery）相互作用從而抵抗心臟跳動。他們的發現可能對更好地理解微管如何影響跳動中心臟內的機械機構以及當這發生差錯時會發生什么產生影響。相關研究結果發表在2016年4月22日那期Science期刊上，論文標題為“Detyrosinated microtubules buckle and bear load in contracting cardiomyocytes”。

　　細胞內部支撐系統中的微管在心肌細胞中起著多種結構和信號轉導的作用。已提示著這種微管網絡發生的改變促進心臟病，但是微管在心臟跳動中如何作出表現，人們知之甚少。

　　在收縮期間直接觀察微管是認識它們在心臟功能中的作用的最為直接的方法。在這項研究中，研究人員觀察在心臟收縮期間，微管形狀發生的時間和空間變化。此外，最近的研究提示著微管中發生的被稱作去酪氨酸化（detyrosination，即移除酪氨酸化學基團）的化學變化調節機械轉導（mechanotransduction），但是仍不知道它是如何調節的。

　　在壓力之下

　　論文通信作者、賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院賓州肌肉學院生理學系助理教授Ben Prosser博士說，“我們想要知道去酪氨酸化是否改變微管如何對心臟每次收縮和放松時發生的物理壓力變化作出反應。為了解答這些問題，我們利用先進成像技術探究來自嚙齒類動物的跳動的心肌細胞中的微管行為。”

　　在這種顯微鏡下，心肌看起來像是相互連接的心肌細胞。心肌細胞要比骨骼肌細胞更加狹窄和更短，含有很多線粒體，這些線粒體產生這些細胞在一生當中全部跳動所需的能量。Prosser解釋道，“心肌組織是高度組織化的，這是它為何是一臺如此高效的機器。”

　　在收縮期間，有些堅硬的微管必須在一定程度上適應心肌細胞的形狀變化。在這項研究中，研究人員發現在典型的心肌細胞中，這種形狀變化是由微管發生變形而形成一種彎曲的彈簧形狀來實現的，這種彎曲的彈簧形狀在每次跳動后都會返回到一種相同的松弛狀態。微管直接與被稱作肌節（sarcomere）的收縮機構相連接。這種連接至少部分上是通過一種被稱作結蛋白（desmin）的蛋白實現的，其中結蛋白將微管錨定在肌節上，從而讓微管形成一種網格狀結構。

　　微管和肌節之間的物理連接高度依賴于去酪氨酸化，因此研究人員對微管-肌節系統進行調整以便找出它最為脆弱的連接位置。他們發現在去酪氨酸化受到抑制的心肌細胞中，當肌節縮短時，微管通過彼此之間滑動而不是彎曲適應收縮。破壞微管-肌節相互作用允許肌節也就允許心肌細胞更進一步和更快地縮短，也因此降低這種細胞的整體硬度。

　　Prosser說，“我們猜測這種系統應當存在某種最優的設置點，在左右兩個方向偏離這個設置點太遠可能是有害的。心臟是一種精心打磨的機器，它經常在一個的狹窄區間內運轉，超出這個區間經常會導致它在一段時間后功能紊亂。”

　　相反地，他們發現增加的去酪氨酸化會增加心肌細胞的硬度，阻礙該細胞收縮。Prosser說，“這是眼見為實的時刻。我們如今能夠真正地觀察到太多堅硬的微管隨著時間的推移如何損害心臟。我們的生物工程同事們準確測量了微管對細胞機械結構的影響，并且在數學上定量測定了這如何影響心肌細胞的表現。”

　　論文共同作者、賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院材料科學與工程教授Vivek Shenoy博士說，“我們開發出一種數學微結構模型來分析主動的收縮力如何導致微管彎曲，從定量角度理解Prosser實驗室的測量結果和驗證他們的假設。”

　　臨床意義

　　這些發現與證實肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy）患者中過度的去酪氨酸化與心臟功能降低之間存在直接關聯的臨床數據相一致。研究人員通過比較來自心臟移植患者捐獻的人心臟組織和來自腦死亡供者的正常心臟組織，發現在患病心臟中，去酪氨酸化水平更大。

　　來自患病心臟的心肌細胞擁有更多的微管，這些微管表現出更多的去酪氨酸化。這一過程與這個病人群體的心臟功能受損相關聯，而且在接受移植前，這些患者的整個心臟具有更低的射血分數，這種更低的射血分數與更多的去酪氨酸化相關聯。

　　Prosser說，“本質上，我們發現過度的去酪氨酸化促進微管和肌節之間的相互作用，增加對心肌收縮的抵抗力，因此可能促進某些疾病狀態下的心臟功能下降。如果我們能夠破壞微管連接，那么肌節能夠更加容易縮短，而且沒有堅硬的相互連接的微管。我們想要微管更加平滑地來回滑動，這會讓肌節也就讓心臟更強地收縮，從而允許心臟更加高效地泵出血液。這對于抵抗很多病人中觀察到的心臟外更高血壓是很有用的。總體上，我們想要增加心臟的收縮能力和跳動強度。”

　　如今，研究人員想要知道特異性的降低去酪氨酸化的藥物是否能夠讓患病的心肌更強地跳動。他們在小鼠體內進行測試，它與預期中一樣起作用。他們的下一步是在患病的人心肌細胞中開展測試。