Cell封面文章：一个巨大蛋白的记忆

　　

生物通报道：瑜伽究竟是怎样提高身体柔韧性的？三月十三日Cell杂志的封面文章中，哥伦比亚大学生命科学教授Julio Fernandez领导研究团队描述了一种新型的机械力记忆，这一机制可以根据肌肉拉伸的历史来调节肌肉的弹性。通过高灵敏度的原子力学显微镜，研究人员观测到了一个能提高肌肉蛋白弹性的化学反应，而这一反应作用于受到拉伸的分子。这项研究不仅转变了人们对肌肉拉伸的理解，还有望催生治疗肌肉疾病的新方式。

“我们发现了一个调解肌肉弹性的有效途径，”文章的共同第一作者Pallav Kosuri说。“我们首次在分子水平上解析了这一机制，并在人类组织中进行了测试。”

现在，许多尖端单分子技术被广泛用于分子力学的研究。Julio Fernandez花了将近二十年时间，对赋予肌肉弹性的分子进行研究。肌联蛋白titin吸引了他的注意，titin是机体内最大的蛋白，也是肌肉被动弹性的主要来源。titin分子是包含许多折叠束的长链，就像一条打了数百个结的绳子。人们一般只将titin看作是肌肉的被动支架，而Fernandez等人发现这种蛋白还有更复杂的功能。“Titin就像是个机械力计算机，为机体中的每块肌肉提供正确的弹性，包括心肌，”Fernandez说。“保证它以最佳性能工作，是人体遇到的最大挑战之一。”

文章的第一作者Jorge Alegre-Cebollada和Kosuri，研究了氧化作用对titin弹性的影响。在肌肉运动时氧化水平会随之升高，这是代谢增强的自然结果。研究人员发现，titin包含特别多易于氧化的位点，不过绝大多数这样的位点隐藏在折叠束内部，并没有活性。拉伸肌肉会强迫titin展开自己的折叠束。作者们指出，这样的伸展暴露了易于氧化的位点，使titin在拉伸时对氧化作用愈发敏感。研究人员不禁好奇，titin氧化之后究竟会怎么样呢？于是，他们针对一种最常见的氧化形式——谷胱甘肽化进行了研究。（氧化对糖尿病的影响：“DNA之父”提出颠覆性糖尿病理论）

研究人员意外的发现，这样的氧化作用会将蛋白锁定在展开状态，显著降低titin的硬度。如果没有氧化作用，机械力只会对肌肉弹性产生暂时的影响，最多持续几秒钟。然而，机械力与谷胱甘肽化结合，就能够产生持久的影响。此时只有逆转氧化作用，才能够重置titin的硬度。

这些信息可以帮助人们理解，为何锻炼和拉伸能对身体柔韧性产生长期而可逆的影响。锻炼可促进氧化反应，而拉伸使肌肉做好被氧化的准备。一旦氧化反应发生，肌肉蛋白就会被锁定在展开状态，从而持久的提高身体柔韧性。当肌肉细胞去除这种氧化作用后，肌肉就会回到原来的样子，而这一过程往往需要几个小时。“我认为，这就是瑜伽提升身体柔韧性的原因，”Alegre-Cebollada说。“瑜伽姿势可以高效展开titin中的折叠束，允许氧化作用使肌肉蛋白保持柔软。”研究人员推测， 这类机械力记忆可能是绝大多数弹性组织的共同特性。

从临床角度上看，上述发现展示了利用生化方法改变肌肉弹性的可能。这样的途径可以用于治疗心脏病和其他影响肌肉弹性的疾病。例如，青年心力衰竭的常见原因——扩张型心肌病。

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文摘要：

S-Glutathionylation of Cryptic Cysteines Enhances Titin Elasticity by Blocking Protein Folding

The giant elastic protein titin is a determinant factor in how much blood fills the left ventricle during diastole and thus in the etiology of heart disease. Titin has been identified as a target of S-glutathionylation, an end product of the nitric-oxide-signaling cascade that increases cardiac muscle elasticity. However, it is unknown how S-glutathionylation may regulate the elasticity of titin and cardiac tissue. Here, we show that mechanical unfolding of titin immunoglobulin (Ig) domains exposes buried cysteine residues, which then can be S-glutathionylated. S-glutathionylation of cryptic cysteines greatly decreases the mechanical stability of the parent Ig domain as well as its ability to fold. Both effects favor a more extensible state of titin. Furthermore, we demonstrate that S-glutathionylation of cryptic cysteines in titin mediates mechanochemical modulation of the elasticity of human cardiomyocytes. We propose that posttranslational modification of cryptic residues is a general mechanism to regulate tissue elasticity.