刊登日期: 2023年10月24日更新

骨骼肌敏感地感受到微小的溫度變化，提高表演效果！ ~在蛋白質(zhì)水平上闡明預(yù)熱的效果~為實現(xiàn)這一目標(biāo)的新一代材料開發(fā)研究做出貢獻(xiàn)。

【概要】

　以東京慈惠會醫(yī)科大學(xué)細(xì)胞生理學(xué)講座副教授福田紀(jì)男和量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)( QST )高崎量子應(yīng)用研究所的石井秀彌研究員、大山廣太郎主干研究員、大阪大學(xué)蛋白質(zhì)研究所的鈴木團(tuán)副教授等為中心的共同研究小組表明，骨骼肌比心臟對溫度的變化更敏感。 活動我們身體的肌肉(骨骼肌)根據(jù)神經(jīng)發(fā)出的電信號，肌細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)活化后收縮。 到目前為止，本研究小組開發(fā)了可以精密評價肌肉收縮溫度敏感性的顯微分析法，通過使用從肌肉中提取精制的主要蛋白質(zhì)，明確了心臟具有在體溫附近可以高效收縮的性質(zhì)。 但是，與骨骼肌的溫度相關(guān)的性質(zhì)不太清楚，與心臟有什么不同也不清楚。 因此，本研究利用骨骼肌和心肌的精制蛋白質(zhì)重構(gòu)肌肉收縮系統(tǒng)，調(diào)查了兩者性質(zhì)的差異。 而且發(fā)現(xiàn)骨骼肌的肌肉收縮系統(tǒng)如果不比心臟的肌肉收縮系統(tǒng)高約2℃就不會活化，另一方面，在體溫附近，對于溫度的上升，比心臟敏銳地響應(yīng)1.6倍左右。 該結(jié)果表明，與經(jīng)常跳動的心臟不同，骨骼肌具備“不需要時不動，需要時瞬間發(fā)出必要力量的性質(zhì)”。 本成果從蛋白質(zhì)的水平上重新說明了運動前熱身能提高肌肉性能的機(jī)制。 另外，肌肉蛋白質(zhì)作為溫度傳感器發(fā)揮作用這一事實的發(fā)現(xiàn)，將發(fā)展為通過加熱骨骼肌來提高功能的溫?zé)岑煼?，期待對今后迎來的超老齡化社會有所幫助。 研究成果于2023年10月23日23時(日本時間)在線刊登在美國生理學(xué)雜志《Journal of General Physiology》上。

【成員】

東京慈惠會醫(yī)科大學(xué)細(xì)胞生理學(xué)講座福田紀(jì)男副教授、小比類卷生助教 東京慈惠會醫(yī)科大學(xué)麻醉科學(xué)講座中西智博助教 東京慈惠會醫(yī)科大學(xué)分子生理學(xué)講座中原直哉助教 量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)高崎量子應(yīng)用研究所石井秀彌研究員、大山廣太郎主干研究員 大阪大學(xué)蛋白質(zhì)研究所鈴木團(tuán)副教授 早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院石渡信一名譽(yù)教授

背景

　我們活動身體時發(fā)生的骨骼肌收縮，是由于到達(dá)肌肉細(xì)胞的電刺激，細(xì)胞內(nèi)鈣離子( Ca2+ )濃度上升而開始的。 產(chǎn)生力的肌球蛋白分子拔絲稱為“細(xì)細(xì)絲”的細(xì)絲時會發(fā)生這種肌肉收縮。 纖細(xì)的細(xì)絲是指以肌動蛋白分子為主的“肌動蛋白細(xì)絲”與“肌動蛋白肌鈣蛋白復(fù)合體”等結(jié)合而成的細(xì)絲(圖1 )。 肌肉松弛時細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度低，肌鈣蛋白肌球蛋白復(fù)合體阻礙肌動蛋白絲與肌球蛋白分子的相互作用(關(guān)閉狀態(tài))。 如果細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度因電刺激而上升，Ca2+就會作用于負(fù)責(zé)肌肉收縮開關(guān)的肌鈣蛋白肌球蛋白復(fù)合體，進(jìn)入肌動蛋白絲與肌動蛋白分子結(jié)合的狀態(tài)( ON狀態(tài))，從而開始肌肉收縮。 除了這種Ca2+信號調(diào)控收縮的機(jī)制外，本研究小組此前還報道過溫度升高(熱信號)也有誘導(dǎo)心臟肌肉收縮的作用( Ishii et al .，2019，過去的新聞發(fā)布會:體溫氣味 這是因為，加熱后的細(xì)燈絲雖然低Ca2+濃度，但仍處于ON狀態(tài)。 那樣的話，骨骼肌也具備同樣的溫度傳感器嗎？ 如果有，其靈敏度和機(jī)制是否與心臟相同呢？

圖1肌肉分層結(jié)構(gòu)和細(xì)細(xì)絲激活。 在肌肉松弛的低Ca2+濃度下，肌鈣蛋白肌球蛋白復(fù)合體阻礙肌動蛋白絲與肌球蛋白分子的相互作用(關(guān)閉狀態(tài))。 細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度上升時，Ca2+作用于肌鈣蛋白肌球蛋白復(fù)合體，進(jìn)入肌動蛋白絲與肌動蛋白分子結(jié)合的狀態(tài)( ON狀態(tài))，肌肉開始收縮。 被加熱的細(xì)燈絲盡管低Ca2+濃度，但仍處于ON狀態(tài)。

手法

　本研究為了調(diào)查骨骼肌和心肌的溫度敏感性，利用了只用精制的蛋白質(zhì)就能再現(xiàn)肌肉收縮的“體外滑動運動系統(tǒng)”。 這是一種通過由肌動蛋白、肌鈣蛋白、肌鈣蛋白重構(gòu)纖細(xì)的細(xì)絲，并與粘接在玻璃基板上的肌鈣蛋白分子相互作用，來評價肌肉收縮系統(tǒng)活性的方法(圖2A )。 通過用熒光顯微鏡觀察熒光標(biāo)記的每一根細(xì)燈絲的運動(滑動運動)，可以分辨細(xì)燈絲的ON-OFF狀態(tài)變化(圖2B )。 通過光熱轉(zhuǎn)換顯微鏡(※1 )形成局部溫度梯度，在同一視野內(nèi)觀察了加熱到各種溫度的燈絲的情況。

圖2 (A )是實驗系統(tǒng)示意圖。 粘接在玻璃基板上的肌球蛋白分子和細(xì)細(xì)絲相互作用，引起滑動運動。 通過聚焦加熱水的紅外激光，在觀察視野內(nèi)形成局部溫度梯度，觀察各種溫度下細(xì)細(xì)絲的滑動運動，評估肌肉收縮系統(tǒng)的溫度敏感性。 ( b )停止在低Ca2+濃度( 10-9 mol/L )的骨骼肌細(xì)細(xì)絲通過激光加熱開始滑動運動的情況。 停止激光照射后，滑行運動再次停止。

成果

　重構(gòu)骨骼肌的肌肉收縮系統(tǒng)，以與肌肉松弛時相同程度的低Ca2+濃度( 10-9 mol/L )進(jìn)行加熱實驗時，在32.5℃以上半數(shù)以上的細(xì)絲開始移動(圖3A )。 發(fā)現(xiàn)該閾值比心臟的肌肉收縮系統(tǒng)高約2℃，根據(jù)移動速度相對于溫度上升的上升率計算出的溫度敏感性也是骨骼肌高1.6倍(圖3B )。 這提示，與心肌相比，骨骼肌的肌肉收縮系統(tǒng)對體溫附近的溫度變化有敏銳的響應(yīng)。 在我們生存的過程中，心臟需要持續(xù)穩(wěn)定地工作，而骨骼肌則需要在必要時發(fā)揮最大的性能。 考慮到這種生理功能的差異，就知道它們各自具有理想的溫度敏感性。

圖3 (A )低Ca2+濃度下溫度與運動的細(xì)細(xì)絲比例的關(guān)系。 T50表示半數(shù)以上的燈絲開始移動的溫度。 ( b )低Ca2+濃度下細(xì)絲滑動運動活度與溫度的關(guān)系。 將高Ca2+濃度( 10-4 mol/L )的活性度標(biāo)準(zhǔn)化為1。 紅色是骨骼肌的收縮系統(tǒng)，藍(lán)色是心肌的收縮系統(tǒng)。

　并且，通過改變肌球蛋白和細(xì)細(xì)絲的組合進(jìn)行實驗，明確了骨骼肌、心肌各自的肌球蛋白和細(xì)細(xì)絲的溫度敏感性不同。 雖然骨骼肌肌球蛋白比心肌肌球蛋白溫度敏感性低，但由于骨骼肌細(xì)的細(xì)絲比心肌的細(xì)絲溫度敏感性高，所以骨骼肌的肌肉收縮系統(tǒng)比心肌的溫度敏感性高(圖4 )。

圖4本成果揭示的骨骼肌與心肌細(xì)絲、肌球蛋白、收縮系統(tǒng)整體溫度敏感性的大小關(guān)系。 雖然骨骼肌肌球蛋白比心肌肌球蛋白溫度敏感性低，但由于骨骼肌細(xì)絲比心肌的溫度敏感性高，所以骨骼肌整體肌肉收縮系統(tǒng)的溫度敏感性比心肌的溫度敏感性高。

本研究成果的意義

　這次的結(jié)果明確了骨骼肌的兩個作用——肌肉收縮和熱產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。 可以認(rèn)為運動前的熱身是通過激活纖細(xì)的細(xì)絲來提高肌肉的表演。 另外，中暑等高體溫時，纖細(xì)的細(xì)絲會過度活性化，骨骼肌的熱量產(chǎn)生會上升，可能會引起體溫進(jìn)一步上升。 本聯(lián)合研究小組著眼于包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的生物內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。 提出了產(chǎn)生的熱在向環(huán)境散失的過程中，不僅體溫上升，還會影響細(xì)胞內(nèi)的各種系統(tǒng)，輔助或控制系統(tǒng)的作用的假說，進(jìn)行了實驗驗證這一點的研究(相關(guān)的過去的新聞發(fā)布會) 并且，提出了將這種隱藏的熱的作用稱為“熱(熱)信令”。 在更大的尺度上，生物感知到的對環(huán)境溫度的響應(yīng)與被稱為“溫度信令”相對應(yīng)。 肌肉可以說是特殊的內(nèi)臟器官，包括收縮和產(chǎn)熱兩種功能。 從這次的發(fā)現(xiàn)中，再次確認(rèn)了肌肉的2個功能在細(xì)胞這個微小的區(qū)域中，通過“熱信令”緊密地聯(lián)系在一起。 正如迄今為止活用“電刺激→Ca2+信號→肌肉收縮”機(jī)制的醫(yī)療設(shè)備開發(fā)和肌肉訓(xùn)練·康復(fù)技術(shù)開發(fā)所進(jìn)展的那樣，本成果有望為基于“熱信號→肌肉收縮”的新溫?zé)岑煼?、健康醫(yī)療打開技術(shù)開發(fā)的大門。

用語解説

※1光熱轉(zhuǎn)換顯微鏡 一種顯微鏡，通過用物鏡會聚加熱水的紅外激光，可以在觀察視野內(nèi)形成同心圓狀的溫度梯度。 通過電動快門控制激光照射，可以在約0.5秒以內(nèi)形成溫度梯度并使其消失，因此可以觀察同一燈絲在加熱前、加熱中、加熱后的狀態(tài)變化。

論文信息

雜志名稱: Journal of General Physiology 論文名稱: myosin and tropomyosin-troponin complementar ily regulate thermal activation of muscles 撰文人姓名: Shuya Ishii (石井秀彌) 1，2，*，#，Kotaro Oyama (大山廣太郎) 1，2，*，F(xiàn)uyu Kobirumaki -Shimozawa (小比類卷生) 2，tomohiro n akaka Madoka Suzuki (鈴木團(tuán)) 3，#，shin’ichi Ishi wata (石渡信一) 4，Norio Fukuda (福田紀(jì)男) 2，# (*共同第一作者； #共同責(zé)任作者) 作者所屬:1:國立研究開發(fā)法人量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)；2 :東京慈惠會醫(yī)科大學(xué)；3 :大阪大學(xué)；4 :早稻田大學(xué) DOI:10.1085/jgp.202313414 本研究是在JSPS科學(xué)研究費、內(nèi)藤紀(jì)念財團(tuán)、山田科學(xué)振興財團(tuán)、三菱財團(tuán)、大阪大學(xué)的資助下進(jìn)行的。

引用文獻(xiàn)

Ishii S., Oyama K., Arai T., Itoh H., Shintani SA., Suzuki M., Kobirumaki-Shimozawa F., Terui T., Fukuda N., Ishiwata S. J Gen Physiol 151(6): 860–869 (2019), Microscopic heat pulses activate cardiac thin filaments.