Atomic insights into muscle contraction by transmission electron cryomicroscopy
Creators: name: Ecken, Julian Von Der
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2016
Subjects: subject: Cryo-EM
subject: Actin
subject: Myosin
subject: Muscle
subject: 530
subject: Kryoelektronenmikroskopie
subject: Actin
subject: Tropomyosin
subject: Myosin
subject: Muskel

description: Jede Kontraktion eines Muskels basiert auf dem Zusammenspiel von Millionen Myosinmolekülen mit Aktinfilamenten (F-Aktin). Dabei unterscheidet sich interessanterweise der fundamentale Mechanismus der Interaktion nicht von dem, der bei Transportprozessen in der Zelle stattfindet, wenn nur ein Myosindimer eine Fracht entlang des Aktinzytoskeletts bewegt. Sowohl die Muskelkontraktion als auch die Transportprozesse werden dabei von aktinbindenden Proteinen wie zum Beispiel Tropomyosin reguliert. Die Interaktion aller beteiligten Proteine wird seit mehr als einem halben Jahrhundert studiert. Dennoch fehlen bis dato hochauflösende Strukturen dieser Proteine in einem Komplex, um den höchst komplexen Reaktionszyklus während der Interaktion strukturell im Detail zu verstehen, bei dem chemische in mechanische Energie umgewandelt wird. Obwohl Kristallstrukturen von monomerem Aktin und isoliertem Myosin bereits seit vielen Jahren erste Aufschlüsse über die Strukturänderungen während der Interaktion geben konnten, wurde eine Kristallisation eines Aktomyosin-Komplexes nicht erreicht. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich die Struktur von F-Aktin in Komplex mit Tropomyosin und die Struktur des F-Aktin-Myosin-Tropomyosin-Komplexes gelöst. Für die Strukturbestimmung habe ich die Methode der Transmissionselektronen-Kryomikroskopie (Kryo-EM) angewendet. Darüber hinaus habe ich die Datenauswertung dahingehend verbessert, dass die vorhandenen Symmetrieinformationen während der Bestimmung der Projektionsparameter für die Erstellung der Rekonstruktion besser genutzt werden konnten. Mit der Struktur des F-Aktin-Tropomyosin-Komplexes wurden nicht nur viele bereits bekannte Wechselwirkungen der Aktinuntereinheiten direkt visualisiert und bestätigt, sondern sie diente auch als Grundlage für ein Modell des Polymerisationsmechanismus von Aktin. Die DNase-bindende Domäne von Aktin nimmt dabei eine Schlüsselrolle ein. Die Position von Tropomyosin auf F-Aktin unterscheidet sich von vorherigen Modellen, sodass diese hinterfragt beziehungsweise erweitert werden müssen. Ein Vergleich der Position von Tropomyosin auf Aktin in An- und Abwesenheit von Myosin hat ergeben, dass Tropomyosin eine signifikante Rotation oder Verschiebung auf dem Aktinfilament vornehmen muss, um die Bindungsstelle für Myosin während der Interaktion freizugeben. Die Struktur des F-Aktin-Myosin-Tropomyosin-Komplexes ist im Rigor-Zustand, bei dem Myosin nukleotidfrei und fest an das Aktinfilament gebunden ist. Die Struktur erlaubte zum ersten Mal die Beschreibung der Schnittstellen der drei Proteine in fast atomarer Auflösung und die Evaluierung von bekannten Mutationsstudien. Ein Vergleich mit Strukturen anderer Zwischenzustände von Myosin ermöglichte das Aufstellen eines Modells, das den Mechanismus der aktininduzierten Verstärkung der ATP Hydrolyseaktivität über die Wechselwirkung der C-terminalen Basis von Loop 2 mit dem „Strut“ von Myosin erklärt, während der N-Terminus von Aktin stabilisierend wirkt. Durch das Lösen der Strukturen beider Komplexe ist es nun möglich mit den erstellten molekularen Modellen krankheitsbedingte Fehlfunktionen, die zum Beispiel bei Herzmuskelerkrankungen (Kardiomyopathien) auftreten, besser zu verstehen und weiter zu analysieren. Darüberhinaus können die etablierten Methoden für weitere Analysen von Aktomyosin-Komplexen genutzt werden, in denen andere Zwischenzustände des Reaktionszyklus von Aktin, Myosin oder Tropomyosin betrachtet werden.