Ученые МФТИ описали механизм возникновения редкого генетического заболевания мышц

Чтобы изучить активность реальных каналов в мембране, исследователи ввели мРНК гена с мутациями в женские половые клетки гладкой шпорцевой лягушки Xenopus laevis. Миотония — это генетическая патология, при котором мышцы не могут расслабиться после сокращения. Дебют заболевания может возникнуть у пациентов любого возраста. Патология возникает из-за генетической мутации, которая изменяет структуру ионных каналов в мембране (оболочке) клеток скелетных мышц. Измененные каналы не могут должным образом регулировать поток ионов хлора из и внутрь клеток. Из-за этого возникает длительное сокращение мышц и нарушается процесс их расслабления.

Научный руководитель проекта Александр Василевский отмечает, что известно более тысячи мутаций в гене SCN4A, но для 80% из них не установлена связь с развитием болезни. Именно поэтому исследовательская группа сосредоточилась на двух мутациях, приводящих к аминокислотным заменам: лизина — на глуматин, глицина — на глутаминовую кислоту.

«Эти мутации затрагивают область петли, расположенной в цитоплазме клетки, — это подвижный участок белка между третьим и четвертым повторами. Именно эта петля отвечает за быструю инактивацию («выключение») канала и особенно часто подвержена мутациям у пациентов с миотонией. Ученые охарактеризовали такие изменения белка с помощью целого спектра методов — от компьютерного моделирования до экспериментов на ооцитах лягушки и анализа клинических данных», — уточняет заведующий лабораторией молекулярных инструментов для нейробиологии ИБХ РАН, доцент кафедры физико-химической биологии и биотехнологии МФТИ Александр Василевский.

Чтобы изучить активность реальных каналов в мембране, исследователи ввели мРНК гена SCN4A с мутациями в женские половые клетки гладкой шпорцевой лягушки Xenopus laevis. С помощью технологии двухэлектродной фиксации потенциала ученые замерили вольт-амперную характеристику каналов (уровень возбудимости). Оказалось, что изменения последовательности белка сильно повлияли на его функцию: каналы с мутациями хуже «выключались», чем нормальные.

«При тех же значениях потенциала большее число мутантных каналов активно, что и вызывает патологию у пациентов — непроизвольный спазм мышц. Также нам удалось разобраться со структурными основами наблюдаемых изменений активности каналов. Для этого мы использовали алгоритмы искусственного интеллекта AlphaFold2 для предсказания трехмерной структуры молекулы на основе ее аминокислотной последовательности. Затем применили моделирование на основе метода Монте-Карло и нашли конформации с наименьшей энергией (то есть самые вероятные) среди множества возможных. Это позволило выяснить, как именно мутации в гене SCN4A изменяют стабильность различных состояний канала», — продолжает Александр Василевский.

Полученные результаты подтвердили патогенность изученных мутаций, то есть их связь с нервно-мышечным заболеванием, и в будущем могут быть использованы в медицинской практике.

Результат работы опубликован в журнале Федерации американских обществ экспериментальной биологии FASEB Journal.

Фото: healthspanusa.com