基于原子模型解析心脏粗肌丝C区的X射线衍射模式：从mavacamten抑制下的冷冻电镜结构到功能洞察

本研究利用冷冻电镜获得的人心脏粗肌丝C区原子模型，首次系统计算了各组分（肌球蛋白头、尾、 titin 和 cMyBP-C）对X射线衍射模式的贡献。通过成分排除分析，研究纠正了以往对M6、M11等反射峰的误读，证实肌球蛋白头主导层线强度，而 titin 构成M11反射的主要来源。该模型显著提升了对肌肉收缩结构基础的理解，为在体研究药物干预和病理状态下的肌丝结构变化提供了新范式。

　　

在肌肉收缩的分子舞台上，肌丝蛋白的结构变化一直是科学家们致力解读的核心密码。低角度X射线衍射（X-ray diffraction）技术犹如一台超高精度的“分子高速摄像机”，能够在毫秒时间尺度和埃（?）空间尺度上，捕捉到肌肉在静息、收缩等不同状态下其内部肌丝结构的动态变化。尤其是对于骨骼肌和心肌中粗肌丝（thick filament）的研究，该技术揭示了其以430 ?为周期重复的、松弛状态的肌球蛋白（myosin）头部排列方式，为我们理解收缩的结构基础奠定了基石。然而，这门技术也面临着“成像易，解读难”的挑战。衍射图谱上的每一个反射峰（reflection）都是肌丝上多种组分共同贡献的叠加结果，如同一曲复杂的交响乐，难以区分具体是哪种乐器在何时发声。传统的解读严重依赖于低分辨率的结构模型和诸多假设，导致对于哪些蛋白组分具体负责哪些衍射信号（如著名的M3、M6、M11 meridional反射）存在长期争议和错误解读。为了客观地厘清这份复杂的“乐谱”，一项基于原子模型的新研究应运而生。

本研究发表于《Biomaterials Advances》，旨在利用近原子分辨率的结构模型，精确计算并解析人类心脏粗肌丝C区各组分对X射线衍射模式的贡献。研究人员采用的关键技术方法主要包括：基于在myosin抑制剂mavacamten存在下通过冷冻电镜（cryo-EM）解析得到的人心脏粗肌丝C区原子模型；利用此模型进行X射线衍射模式的计算模拟，并通过在计算中系统性地包含或排除特定蛋白组分（如myosin heads、myosin tails、titin、cMyBP-C）来定量分析各组分对衍射图谱的贡献；将计算得到的层线（layer-lines）与实验获得的X射线衍射图谱进行比对验证。

Myosin heads are responsible for most of the intensity on the myosin layer-lines

通过将原子模型计算的衍射图谱与实验数据对比，研究人员首先确认了肌球蛋白头部（myosin heads）是构成肌球蛋白层线（myosin layer-lines）绝大部分强度的主要来源。这包括非常重要的M3 meridional反射（位于143 ?处），该反射长期以来被用作衡量肌球蛋白头部质量中心相对于粗肌丝主轴距离的标尺。本研究通过计算模拟，客观地证实了头部对其的主导贡献，支持了先前的一部分解读。

Myosin tails contribute little to the pattern

一个与预期相反的发现是，肌球蛋白尾部（myosin tails）对整个衍射图谱，包括M6 meridional反射（位于72 ?处），的贡献微乎其微。传统的观点曾认为M6反射主要来源于尾部的规则排列。然而，本研究通过排除性计算揭示，该反射主要源于头部和其他组件，而非尾部，这无疑修正了一个长期存在的认知。

The M11 layer-line arises mostly from titin

研究对M11层线（对应39 ?间距）的起源提供了全新的见解。计算结果表明，这一反射主要来源于巨蛋白titin的弯曲和扭结结构（curved and kinked structure）。这种特殊的结构使得大约11个长度为42 ?的titin域（domain）能够完美地适配在粗肌丝430 ?的重复周期内。由于肌球蛋白头部对M11的贡献可以忽略不计，这使得M11间距可以作为衡量粗肌丝骨架（myosin filament backbone）所受应变（strain）的一个特异性指标，为在体研究肌肉力学提供了新的潜在工具。

The computed layer-lines account well for the experimentally determined pattern

最终，综合所有组分计算出的完整模型衍射图谱与实验测得的X射线衍射模式吻合良好，验证了本次所采用原子模型的可靠性以及计算分析方法的有效性。

综上所述，本研究通过基于冷冻电镜原子模型的精确计算，成功解析了心脏粗肌丝各组分在X射线衍射图谱中的具体贡献，从而澄清了以往研究中的多个争议点。研究证实肌球蛋白头部是层线强度的主要来源，颠覆了关于肌球蛋白尾部贡献的传统认知，并首次明确了titin是M11反射的主要结构基础。这些发现不仅深化了对粗肌丝分子结构的理解，更重要的是，它提供了一种客观、定量的分析框架，为未来利用X射线衍射技术研究不同状态（如收缩、疾病、药物治疗）下 intact muscle 的结构变化奠定了更为坚实可靠的基础。例如，针对mavacamten等药物的作用机制研究，现在可以更精准地从结构层面追踪其效应。因此，这项研究显著提升了我们解读肌肉“分子乐谱”的能力，推动了对肌肉收缩分子机制及其调控的认知进入一个更精确的新时代。