Анализ особенностей наноструктуры миоцитов скелетной мышечной ткани методом сканирующей зондовой нанотомографии

Цель: провести статистический анализ угловых ориентаций гексагональных решеток миофиламентов в миофибриллах скелетных мышц крысы с использованием технологии сканирующей зондовой нанотомографии. Материалы и методы. Для исследования были получены образцы скелетных мышечных тканей здоровых крыс породы Wistar. Препараты мышечных волокон поясничной мышцы крысы были залиты в эпоксидную смолу. Исследование поверхности образцов после среза ультрамикротомом производилось методом сканирующей зондовой нанотомографии. Анализ изображений срезов саркомеров позволяет определить ориентации гексагональных решеток миозиновых миофиламентов. Результаты. Разработана методика вычисления угловых ориентаций гексагональных решеток по муаровым структурам на изображениях срезов саркомеров. Статистический анализ полученных изображений показал, что относительные повороты гексагональных решеток не подчиняются нормальному распределению по тесту Колмогорова–Смирнова (p = 0,3) и решетки меняют свою ориентацию вдоль миофибрилл случайным образом. Заключение. Анализ ориентаций решеток в смежных саркомерах позволил впервые в научной практике получить и статистически проанализировать данные об их взаимных ориентациях на протяжении миофибрилл. По результатам расчетов выявлена низкая степень согласованности ориентаций миозиновых решеток вдоль миофибрилл в скелетных мышцах крысы. Разработанные подходы и алгоритмы могут в дальнейшем быть применены для исследований особенностей наноструктурной организации миоцитов и кардиомиоцитов различных видов.

1. Luther PK, Squire JM. Three-dimensional structure of the vertebrate muscle A-band: II. The myosin filament superlattice. J Mol Biol. 1980; 141 (4): 409–439. doi: 10.1016/0022-2836(80)90254-5.

2. Al‑Khayat HA, Morris EP, Kensler RW, Squire JM. 3D structure of relaxed fish muscle myosin filaments by single particle analysis. J Struct Biol. 2006; 155 (2): 202–217. doi: 10.1016/j.jsb.2006.01.014.

3. Bordas J, Svensson A, Rothery M, Lowy J, Diakun GP, Boesecke P. Extensibility and symmetry of actin filaments in contracting muscles. Biophys J. 1999; 77 (6): 3197–3207. doi: 10.1016/S0006-3495(99)77150-X.

4. Squire J. Special Issue: The actin-myosin interaction in muscle: background and overview. Int J Mol Sci. 2019; 20 (22): 5715. doi: 10.3390/ijms20225715.

5. Henderson CA, Gomez CG, Novak SM, Mi‑Mi L, Gregorio CC. Overview of the muscle cytoskeleton. Compr Physiol. 2017; 7 (3): 891–944. doi: 10.1002/cphy.c160033.

6. Mukund K, Subramaniam S. Skeletal muscle: a review of molecular structure and function, in health and disease. WIREs Syst Biol Med. 2020; 12 (1): e1462. doi: 10.1002/wsbm.1462.

7. Harris SP. Making waves: A proposed new role for myosin-binding protein C in regulating oscillatory contractions in vertebrate striated muscle. J Gen Physiol. 2021; 153 (3): e202012729. doi: 10.1085/jgp.202012729.

8. Mun JY, Gulick J, Robbins J, Woodhead J, Lehman W, Craig R. Electron microscopy and 3D reconstruction of F-actin decorated with cardiac myosin-binding protein C (cMyBP-C). J Mol Biol. 2011; 410 (2): 214–225. doi: 10.1016/j.jmb.2011.05.010.

9. Müller WG, Heymann JB, Nagashima K, Guttmann P, Werner S, Rehbein S et al. Towards an atlas of mammalian cell ultrastructure by cryo soft X-ray tomography. J Struct Biol. 2012; 177 (2): 179–192. doi: 10.1016/j.jsb.2011.11.025.

10. Narayan K, Subramaniam S. Focused ion beams in biology. Nature Methods. 2015; 12 (11): 1021–1031. doi: 10.1038/nmeth.3623.

11. Sulkin MS, Yang F, Holzem KM, Van Leer B, Bugge C, Laughner JI et al. Nanoscale three-dimensional imaging of the human myocyte. J Struct Biol. 2014; 188 (1): 55–60. doi: 10.1016/j.jsb.2014.08.005.

12. Glancy B, Hartnell LM, Malide D, Yu ZX, Combs CA, Connelly PS et al. Mitochondrial reticulum for cellular energy distribution in muscle. Nature. 2015; 523 (7562): 617–620. doi: 10.1038/nature14614.

13. Dahl R, Larsen S, Dohlmann TL, Qvortrup K, Helge JW, Dela F et al. Three-dimensional reconstruction of the human skeletal muscle mitochondrial network as a tool to assess mitochondrial content and structural organization. Acta Physiol (Oxf). 2015; 213 (1): 145–155. doi: 10.1111/apha.12289.

14. Luther PK. The vertebrate muscle Z-disc: sarcomere anchor for structure and signalling. J Muscle Res Cell Motil. 2009; 30 (5–6): 171–185. doi: 10.1007/s10974-009-9189-6.

15. Burgoyne T, Heumann JM, Morris EP, Knupp C, Liu J, Reedy MK et al. Three-dimensional structure of the basketweave Z-band in midshipman fish sonic muscle. PNAS. 2019; 116 (31): 15534–15539. doi: 10.1073/pnas.1902235116.

16. Rusu M, Hu Z, Taylor KA, Trinick J. Structure of isolated Z-disks from honeybee flight muscle. J Muscle Res Cell Motil. 2017; 38 (2): 241–250. doi: 10.1007/s10974-017-9477-5.

17. Oda T, Yanagisawa H. Cryo-electron tomography of cardiac myofibrils reveals a 3D lattice spring within the Z-discs. Commun Biol. 2020; 3 (1): 585. doi: 10.1038/s42003-020-01321-5.

18. Zoghbi ME, Woodhead JL, Moss RL, Craig R. Three-dimensional structure of vertebrate cardiac muscle myosin filaments. PNAS. 2008; 105 (7): 2386–2390. doi: 10.1073/pnas.0708912105.

19. Al‑Khayat HA, Morris EP, Kensler RW, Squire JM. Myosin filament 3D structure in mammalian cardiac muscle. J Struct Biol. 2008; 163 (2): 117–126. doi: 10.1016/j.jsb.2008.03.011.

20. Burbaum L, Schneider J, Scholze S, Böttcher RT, Baumeister W, Schwille P et al. Molecular-scale visualization of sarcomere contraction within native cardiomyocytes. Nat Commun. 2021; 12 (1): 4086. doi: 10.1038/s41467-021-24049-0.

21. Iwamoto H, Nishikawa Y, Wakayama J, Fujisawa T. Direct X-ray observation of a single hexagonal myofilament lattice in native myofibrils of striated muscle. Biophys J. 2002; 83 (2): 1074–1081. doi: 10.1016/S0006-3495(02)75231-4.

22. Iwamoto H, Inoue K, Yagi N. Evolution of long-range myofibrillar crystallinity in insect flight muscle as examined by Xray cryomicrodiffraction. Proc R Soc B. 2006; 273 (1587): 677–685. doi: 10.1098/rspb.2005.3389.

23. Tune TC, Ma W, Irving T, Sponberg S. Nanometer-scale structure differences in the myofilament lattice spacing of two cockroach leg muscles correspond to their different functions. Journal of Experimental Biology. 2020; 223 (Pt 9): jeb212829. doi: 10.1242/jeb.212829.

24. Ma W, Gong H, Jani V, Lee KH, Landim‑Vieira M, Papadaki M et al. Myofibril orientation as a metric for characterizing heart disease. Biophys J. 2022; 121 (4): 565–574. doi: 10.1016/j.bpj.2022.01.009.

25. Matsko N, Mueller M. AFM of biological material embedded in epoxy resin. J Struct Biol. 2004; 146 (3): 334–343. doi: 10.1016/j.jsb.2004.01.010.

26. Traeger L, Mackenzie J, Epstein H, Goldstein M. Transition in the thin-filament arrangement in rat skeletal muscle. J Muscle Res Cell Motil. 1983; 4 (3): 353–366. doi: 10.1007/BF00712001.

27. Efimov AE, Moisenovich MM, Bogush VG, Agapov II. 3D nanostructural analysis of silk fibroin and recombinant spidroin 1 scaffolds by scanning probe nanotomography. RSC Adv. 2014; 4: 60943–60947. doi: 10.1039/c4ra08341e.

28. Efimov AE, Agapova OI, Safonova LA, Bobrova MM, Parfenov VA, Koudan EV et al. 3D scanning probe nanotomography of tissue spheroid fibroblasts interacting with electrospun polyurethane scaffold. Express Polymer Letters. 2019; 13 (7): 632–641. doi: 10.3144/expresspolymlett.2019.53.

29. Balashov V, Efimov A, Agapova O, Pogorelov A, Agapov I, Agladze K. High resolution 3D microscopy study of cardiomyocytes on polymer scaffold nanofibers reveals formation of unusual sheathed structure. Acta Biomaterialia. 2018; 68: 214–222. doi: 10.1016/j.act-bio.2017.12.031.

30. Lindskog C, Linné J, Fagerberg L, Hallström BM, Sundberg CJ, Lindholm M et al. The human cardiac and skeletal muscle proteomes defined by transcriptomics and antibody-based profiling. BMC Genomics. 2015; 16 (1): 475. doi: 10.1186/s12864-015-1686-y.