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한빛사논문

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송태정
송태정Taejeong Song

University of Cincinnati

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, April 27, 2021, 118 (17) : e2003596118 | https://doi.org/10.1073/pnas.2003596118 Fast skeletal myosin-binding protein-C regulates fast skeletal muscle contraction

Taejeong Songa, James W. McNamaraa,1,2, Weikang Mab, Maicon Landim-Vieirac, Kyoung Hwan Leed,3, Lisa A. Martina, Judith A. Heinye, John N. Lorenze, Roger Craigd, Jose Renato Pintoc, Thomas Irvingb,
and Sakthivel Sadayappana,4

aDivision of Cardiovascular Health and Disease, Department of Internal Medicine, University of Cincinnati, OH 45267; bBiophysics Collaborative Access Team, Department of Biological Sciences, Illinois Institute of Technology, Chicago, IL 60616; cDepartment of Biomedical Sciences, Florida State University College of Medicine, Tallahassee, FL 32306; dDivision of Cell Biology and Imaging, Department of Radiology, University of Massachusetts Medical School, Worcester, MA 01655; and eDepartment of Pharmacology and Systems Physiology, University of Cincinnati College of Medicine, Cincinnati, OH 45267

1Present address: Murdoch Children’s Research Institute, The Royal Children’s Hospital, Parkville VIC 3052, Australia.
2Present address: Department of Physiology, School of Biomedical Sciences, The University of Melbourne, Parkville VIC 3010, Australia.
3Present address: Massachusetts Facility for High-Resolution Electron Cryo-Microscopy, University of Massachusetts Medical School, Worcester, MA 01655.
4To whom correspondence may be addressed. 

Abstract

Fast skeletal myosin-binding protein-C (fMyBP-C) is one of three MyBP-C paralogs and is predominantly expressed in fast skeletal muscle. Mutations in the gene that encodes fMyBP-C, MYBPC2, are associated with distal arthrogryposis, while loss of fMyBP-C protein is associated with diseased muscle. However, the functional and structural roles of fMyBP-C in skeletal muscle remain unclear. To address this gap, we generated a homozygous fMyBP-C knockout mouse (C2−/−) and characterized it both in vivo and in vitro compared to wild-type mice. Ablation of fMyBP-C was benign in terms of muscle weight, fiber type, cross-sectional area, and sarcomere ultrastructure. However, grip strength and plantar flexor muscle strength were significantly decreased in C2−/− mice. Peak isometric tetanic force and isotonic speed of contraction were significantly reduced in isolated extensor digitorum longus (EDL) from C2−/− mice. Small-angle X-ray diffraction of C2−/− EDL muscle showed significantly increased equatorial intensity ratio during contraction, indicating a greater shift of myosin heads toward actin, while MLL4 layer line intensity was decreased at rest, indicating less ordered myosin heads. Interfilament lattice spacing increased significantly in C2−/− EDL muscle. Consistent with these findings, we observed a significant reduction of steady-state isometric force during Ca2+-activation, decreased myofilament calcium sensitivity, and sinusoidal stiffness in skinned EDL muscle fibers from C2−/− mice. Finally, C2−/− muscles displayed disruption of inflammatory and regenerative pathways, along with increased muscle damage upon mechanical overload. Together, our data suggest that fMyBP-C is essential for maximal speed and force of contraction, sarcomere integrity, and calcium sensitivity in fast-twitch muscle.

MYBPC2, fMyBP-C, skeletal muscle, distal arthrogryposis, contraction

논문정보

  • 형식Research article
  • 게재일2021년 04월 (BRIC 등록일 2021-04-29)
  • 연구진국외 연구진
  • 분야 생명과학 > 생리학

관련 인터뷰

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드 근육의 기본 기능 단위인 sarcomere (근섬유 마디)는 수축과 이완을 통해 근력을 발휘하여, 다양한 신체 활동과 자세 유지를 가능하게 합니다. Sarcomere는 심장과 골격근의 대부분 (90% 이상)을 차지하며, 그 구성 성분들의 변형 (DNA/Protein)은 심각한 선/후천적 질환과 기능의 저하를 초래할 수 있습니다. Myosin Binding Protein-C (MyBP-C)는 sarcomere에서 actin 과 myosin의 상호작용을 직접 조절하는 필수요소로써, 현재까지 심장과 골격근에서 세 가지 isoform이 발견되었습니다. 심장에서 발현되는 cardiac MyBP-C (cMyBP-C)의 경우 500가지 이상의 변이 (mutation)가 확인되었으며, 이는 심근비대증과 심장마비에 밀접하게 관련이 있는 것으로 알려져 왔습니다. 골격근 isoform인 slow 와 fast MyBP-C (sMyBP-C 와 fMyBP-C)의 경우 선천적인 근육 질병인 Distal Athrogryposis (DA) 와 Lethal Congenital Contracture Syndrome (LCCS)의 발병과 연관이 있는 것로 최근 연구들에서 밝혀지고 있으나, 아직까지 골격근 isoform에 대한 연구는 부족한 실정입니다. 이번 논문에서는 fMyBP-C의 발현과 근육에서의 기능적/형태적 역할을 다양한 실험기법 (in vivo/ex vivo function test, in vitro acto-myosin interaction/calcium sensitivity, (immune)-histology, western blot, RNAseq, Proteomics, and X-ray diffraction)을 통해 분석하였으며, fMyBP-C가 포유류 속근 (fast twitch muscle)의 항상성 유지와 최대 근력을 발휘하는데 필수적이라는 것을 최초로 밝혀냈습니다. 최근 Sarcomere gene과 protein에 관한 연구는 근육의 수축과 이완 원리 뿐만 아니라, 심장과 골격근 질환의 원인을 규명하고, 신약을 계발하는 단계까지 활발히 이루어지고 있습니다. 앞으로도 여러 sarcomere protein (myosin, actin, MyBP-C, titin 등등)들의 형태와 상호 작용, 그리고 변이에 따른 근육의 기능과 질병 유발에 관한 연구는 다양한 분야의 접근 방법 (cell and molecular biology, biophysics, genetic engineering 등등)을 통해 발전될 것으로 기대하고 있습니다. 2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다. 현재 저는 University of Cincinnati Medical School의 Cardiovascular Research Center에서 근무하고 있습니다. 저희 연구소는 Heart, Lung, and Vascular Institute (https://med2.uc.edu/HLVI)에 속해 있으며, 심장 전문의 뿐만 아니라 여러 학과의 교수진들이 함께 일하고 있는 융복합 연구소입니다. 심장과 혈관에 관련된 질병의 원인을 밝혀내고 치료에 도움이 될 수 있는 다양한 방법들을 동물과 세포, 그리고 임상실험을 통해 연구하고 있습니다. 저희 연구소의 가장 큰 장점은 실험실 간의 긴밀한 협업과 여러 장비들의 자유로운 공유를 통해 다양한 기법의 실험을 손쉽게 진행할 수 있다는 것입니다. 또한 인접해 있는 Cincinnati Children’s Hospital Medical Center의 연구자들과의 공동 연구도 활발히 이루어지고 있으며 그 곳의 20여개 주요 연구 시설들을 이용해 마우스 모델 계발 뿐만 아니라, DNA/RNAseq, Flow cytometry, Electron microscopy, Confocal imaging 등의 실험을 수훨하게 할 수 있습니다. 이를 바탕으로 다양한 주제의 연구가 진행되고 있습니다. 3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람 처음 계발된 마우스 모델을 이용해, 그동안 알려지지 않은 fMyBP-C protein의 형태적/기능적 역할에 대해 연구하다보니, 논문의 방향을 잡고, 스토리를 이어나가는데 조금 어려움이 있었습니다. 또한 처음 접해 본 분야의 실험들을 이 논문에서 많이 시도하였는데, 여러 공동 연구자들의 지원과 도움으로 이 실험들을 성공적으로 수행할 수 있었었습니다. 다시 한번 협업 (collaboration)의 필요성과 중요성을 이번 논문을 계기로 느끼게 되었고, 많은 새로운 실험들을 배울 수 있었던 기회였습니다. 두 번의 리뷰과정도 코로나 (COVID 19) 사태로 인해 진행이 많이 늦어지는 바람에 끝까지 집중해서 논문을 완성하는데 어려움이 있었지만, 지도 교수님 (Dr. Sadayappan)의 든든한 지원과 격려가 큰 힘이 되었습니다. 4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면? 근육 질환과 근육생리학 분야에서, sarcomere protein은 아주 핵심적인 연구 주제입니다. 각각의 연구 그룹들은 다양한 방법으로 개별 sarcomere protein에 대해 연구하고 있으며, 서로의 장비나 시약 그리고 노하우들을 아낌없이 공유하고, 각자의 전문성을 바탕으로 연구비 신청과 논문 작업을 함께 진행하는 경향이 있습니다. 그 결과 대부분의 교수님 (혹은 P.I)들이 성공적으로 연구비를 받아오고 있으며 높은 임팩트의 논문들도 많이 나오고 있습니다. 또한 Myofilament Conference (https://cvrc.wisc.edu/myofilament-conference/) 라는 bi-annual meeting을 통해 여러 나라의 sarcomere protein을 연구하는 학자들이 서로 정보를 공유하고, 교류하며 연구의 영역을 넓히고 발전시키고 있습니다. 많은 포스트닥 기회 뿐만 아니라, 제약회사 연구직의 기회도 얻을 수 있는 분야이니 많은 관심 바랍니다. 5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면? 이번 논문의 후속 연구로, fMyBP-C가 노화및 유전적 질병으로 인한 근력의 감소와 부상 및 근섬유의 형질에 어떠한 영향을 미치는지에 관한 연구를 진행 중에 있습니다. 뿐만 아니라 또 다른 골격근 MyBP-C isoform인 sMyBP-C의 근육에서의 역할과 Distal Arthrogryposis (DA) 발병의 관계를 알아보기 위한 연구가 활발히 진행 중이며, 새롭게 계발한 마우스 모델들을 이용하여 근육의 발달 단계 (Embryonic, Postnatal, and Adult)에 따른 sMyBP-C의 구조적, 기능적 연구에 대한 논문을 준비 중에 있습니다.
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