脊椎动物横纹肌X射线衍射图谱的分子注释：基于冷冻电镜的厚丝C区原子模型解析

为解决肌肉收缩分子机制研究中厚丝结构解析的难题，研究人员通过冷冻电镜构建人类心脏厚丝C区原子模型（PDB 8g4l），结合X射线衍射定量分析肌球蛋白头（IHM）、尾、肌联蛋白（titin）和心肌肌球蛋白结合蛋白C（cMyBP-C）的贡献。研究发现肌球蛋白头主导M3（143 ?）等层线强度，titin特异性贡献M11（39 ?）层线，而传统认为的肌球蛋白尾对M6（71.5 ?）反射贡献微弱。该研究为肌肉收缩模型和药物研发提供了首个客观的结构基础，发表于《Biophysical Journal》。

　　

肌肉收缩是生命活动的基础，而这一过程的分子机制一直是科学家们探索的焦点。在横纹肌中，粗肌丝（thick filament）和细肌丝（thin filament）的精密互动构成了收缩的核心。虽然电子显微镜（EM）和X射线衍射技术已为此提供了重要线索，但长期以来，研究者们面临一个关键瓶颈——缺乏高分辨率的厚丝原子模型，导致X射线衍射图谱的解读严重依赖推测。特别是在解释"禁戒反射"（forbidden meridional reflections）等现象时，各种假说难以验证。这项发表在《Biophysical Journal》的研究，通过结合冷冻电镜和X射线衍射技术，首次系统解析了脊椎动物横纹肌厚丝各组分对衍射图谱的定量贡献。

研究团队主要运用了三种关键技术：冷冻电镜（cryo-EM）解析人类心脏厚丝C区原子结构（分辨率6 ?）；同步辐射X射线衍射采集松弛状态下猪心肌的衍射图谱（使用CHESS同步辐射光源）；基于原子模型（PDB 8g4l）的衍射强度计算，通过选择性包含/排除特定组分（如肌球蛋白头、尾、titin和cMyBP-C）分析其贡献。实验样本为经马来酸卡姆滕（mavacamten）处理的猪心室肌，确保与冷冻电镜条件一致。

【Myosin heads are the main contributors to the myosin layer lines】

通过比较完整结构与仅含肌球蛋白头（myosin heads）或去除头部的模型，证实肌球蛋白头是M1-M6层线强度的主要来源，贡献了M3（143 ?）和M6（71.5 ?） meridional反射的绝大部分强度。这一发现纠正了传统认为M6主要反映肌球蛋白尾结构的观点。

【Myosin tails contribute little to the myosin layer lines】

肌球蛋白尾（myosin tails）因其延展的α螺旋结构，对所有层线（包括M6）的贡献微乎其微。这一结果挑战了将M6间距作为厚丝弹性指标的传统认知。

【Titin is the main contributor to the 39 ? layer-line(M11)】

肌联蛋白（titin）的11个结构域（约42 ?长）通过弯曲构象适配430 ?重复单元，成为M11（39 ?）层线的决定性因素。该反射可作为厚丝骨架应变的特异性指标，因其几乎不受肌球蛋白头干扰。

【MyBP-C's C-terminal half contributes little to the diffraction pattern】

cMyBP-C的C端（C5-C10）沿厚丝表面纵向排列，对衍射图谱影响微弱。但当其N端（C0-C6）径向延伸结合细肌丝时，会显著增强禁戒反射（如M1、M2），解释了解剖位置变化对衍射的影响。

【Origin of forbidden meridional reflections】

禁戒反射源于三个因素的综合作用：肌球蛋白头（CrD）的部分无序、cMyBP-C的径向延伸以及titin的周期性排列。其中cMyBP-C与细肌丝的结合状态直接影响M1/M2强度，这解释了肌肉拉伸时这些反射减弱的现象。

研究结论与讨论部分强调，该工作首次基于客观的原子模型（而非推测）注释了厚丝各组分的衍射贡献。C区结构（占厚丝有序头的90%）足以解释主要衍射特征，而远端区（D-zone）因无序性贡献有限。特别值得注意的是：肌球蛋白头对M6的显著贡献提示其在收缩过程中可能反映头的有序状态，而非仅厚丝弹性；titin主导的M11则是监测厚丝骨架变形的理想指标；cMyBP-C构象变化与禁戒反射的关联为研究其调控机制提供了新视角。这些发现不仅完善了肌肉收缩的结构模型，更为心脏疾病机制研究和药物（如mavacamten）开发提供了分子尺度的检测标准。研究建立的"结构-衍射"对应关系，将显著提升未来在体X射线实验的数据解读精度。