Las conexiones entre el sistema nervioso y los músculos se desarrollan de manera diferente en todos los reinos de la vida. Los recién nacidos tardan aproximadamente un año en desarrollar los sistemas musculares adecuados que les permiten caminar, mientras que las vacas pueden caminar minutos después del nacimiento y correr poco después.
Los investigadores de la Universidad de California en San Diego, utilizando una nueva y poderosa tecnología de visualización, ahora tienen una idea más clara de por qué estos dos escenarios evolucionan de manera tan diferente. Los hallazgos proporcionan nuevos conocimientos sobre la comprensión de la contracción muscular en humanos que pueden ayudar a desarrollar tratamientos futuros para enfermedades musculares.
“En este estudio nos propusimos comprender los detalles moleculares involucrados en la contracción muscular en el punto de contacto entre las neuronas motoras y los músculos esqueléticos, los músculos que controlamos conscientemente”, dijo el profesor Ryan Hibbs de la Facultad de Ciencias Biológicas, autor del nuevo estudio. publicado la naturaleza. “Descubrimos cómo las proteínas musculares cambian su estructura durante el desarrollo, lo cual es importante en el contexto de enfermedades que causan debilidad muscular progresiva”.
La capacidad de los músculos esqueléticos para contraerse permite que nuestros cuerpos se muevan, desde caminar y saltar hasta respirar y parpadear. Todas las contracciones del músculo esquelético se originan en las uniones entre las neuronas motoras, que se originan en la médula espinal y el tronco del encéfalo, y las fibras musculares. Aquí es donde la neurona libera una sustancia química transmisora llamada acetilcolina. Estas moléculas se unen a los receptores de proteínas de las células musculares, provocando una abertura en la membrana celular. Una corriente eléctrica fluye a través de la célula y hace que el músculo se contraiga.
La forma en que las neuronas liberan sustancias químicas que se comunican con los músculos es un sistema modelo estudiado durante más de un siglo. Pero una pieza que falta en este sistema es una representación visual de cómo funciona el proceso. ¿Cómo es la estructura de la proteína del receptor muscular?
Para averiguarlo, Hibbs, el primer autor del estudio, Huanhuan Li, un académico postdoctoral, y Xinfeng Teng, un analista de datos de investigación, utilizaron tecnología de microscopía crioelectrónica (crio-EM) de última generación basada en el nuevo Goeddel de UC San Diego. Máquina Sandbox de tecnología familiar. Cryo-EM utiliza microscopios de alta potencia que capturan imágenes de moléculas “congeladas” en su lugar.
Los resultados muestran la primera visualización de la estructura tridimensional del receptor muscular de acetilcolina. Debido a que es difícil obtener tejido humano para este tipo de estudio de contracción muscular, los investigadores accedieron a muestras de tejido fetal de músculo esquelético bovino. Para aislar el receptor en las muestras, los investigadores recurrieron a una fuente poco probable: el veneno de serpiente. Se utilizó una neurotoxina de serpiente venenosa que paraliza a las presas para unirse a los receptores musculares en especímenes de vaca, lo que permitió a los investigadores aislar los receptores para estudiarlos. Las visualizaciones crio-EM permiten a los investigadores presenciar cómo se desarrolla el proceso de desarrollo del receptor.
Con la nueva información vino una búsqueda brutal. Los investigadores descubrieron que podían ver la estructura de ambos embriones. Y Receptores adultos de la misma muestra de tejido fetal bovino.
“Esperábamos ver la estructura del receptor y lo hicimos, pero también vimos que había dos versiones diferentes del mismo”, dijo Hibbs. “Fue una sorpresa.”
Según Hibbs, desde una perspectiva retrospectiva, el descubrimiento de dos tipos de receptores tiene sentido. A medida que los terneros se desarrollan en el útero, se esperaban receptores fetales. Al caminar como adultos poco después del nacimiento, comienzan a desarrollar conexiones neuromusculares adultas mucho antes de que se desarrollen.
“Este descubrimiento explica cómo animales como las vacas desarrollan uniones neuromusculares maduras antes de nacer para caminar, a diferencia de los humanos, que tienen una mala coordinación muscular durante meses después del nacimiento”, dijo Hibbs. “Al poder ver los detalles de los receptores, podemos ver sus diferencias en cómo uno permite las conexiones nervio-músculo y el otro permite la contracción muscular”.
Los resultados de la investigación ya se están aplicando a la investigación de trastornos musculares, como el síndrome miasténico congénito (SMC), que provoca debilidad muscular. Una enfermedad autoinmune común conocida como miastenia gravis involucra anticuerpos que atacan por error a los receptores de acetilcolina de los músculos, causando debilidad del músculo esquelético.
“Este nuevo nivel de conocimiento sobre el receptor muscular ayudará a los investigadores a comprender cómo las mutaciones en sus genes causan enfermedades y puede facilitar tratamientos personalizados para pacientes con diversas patologías en el futuro”, dijo el autor principal Li.