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アクチンとの静電的相互作用の増加を介した2-デオキシ-ATPによる心筋ミオシンの活性化
Cardiac myosin activation with 2-deoxy-ATP via increased electrostatic interactions with actin.
PMID: 31110001 PMCID: PMC6561254. DOI: 10.1073/pnas.1905028116.
抄録
天然に存在するヌクレオチド2-デオキシアデノシン5'-三リン酸（dATP）は、ミオシンの化学力学的活性の代替エネルギー基質として心筋に利用される可能性がある。我々はこれまでに、正常心臓や収縮期機能低下モデルにおいて、dATPが収縮力を増加させることを示してきたが、この効果の構造的基盤は未だ解明されていなかった。本研究では、複数の手法を組み合わせて、オングストローム・ナノメートルおよびミリ秒の時間スケールで構造および機能情報を提供し、サルコメアのダイナミクスを支える弱いアクチン・ミオシン相互作用の構造測定と定量的な速度論的推定の両方が可能であることを実証した。分子プローブとしてdATPを利用して、ミオシン構造の小さな変化が、心筋の収縮力を増大させるためのサルコメア機能の静電的変化にどのように変換されるかを評価しています。ブラウン動力学シミュレーションと計算構造解析により、プレパワーストロークミオシンに結合したデオキシ加水分解産物[2-デオキシアデノシン5'-二リン酸（dADP）と無機リン酸（Pi）]がミオシン上のアクチン結合面のアロステリックな再構築を誘導し、クロスブリッジ形成速度を増加させることを明らかにした。次に、この予測された効果が、in vitroでアクチンと心臓ミオシン間の静電相互作用の増加につながることを実験的に示した。最後に、サルコメア構造の小角X線回折解析を用いて、提案されているミオシンのアクチンに対する静電的親和性の増加が、ミオシンモーターの安静時のコンフォメーションの破壊を引き起こし、活性化前にミオシンが細いフィラメントに向かって再配置されることを実証した。ここで報告されたミオシンのdATPによる構造変化は、収縮期機能障害を治療するための治療薬として開発される低分子の設計または選択のための改善された基準への洞察を提供する可能性があります。
The naturally occurring nucleotide 2-deoxy-adenosine 5'-triphosphate (dATP) can be used by cardiac muscle as an alternative energy substrate for myosin chemomechanical activity. We and others have previously shown that dATP increases contractile force in normal hearts and models of depressed systolic function, but the structural basis of these effects has remained unresolved. In this work, we combine multiple techniques to provide structural and functional information at the angstrom-nanometer and millisecond time scales, demonstrating the ability to make both structural measurements and quantitative kinetic estimates of weak actin-myosin interactions that underpin sarcomere dynamics. Exploiting dATP as a molecular probe, we assess how small changes in myosin structure translate to electrostatic-based changes in sarcomere function to augment contractility in cardiac muscle. Through Brownian dynamics simulation and computational structural analysis, we found that deoxy-hydrolysis products [2-deoxy-adenosine 5'-diphosphate (dADP) and inorganic phosphate (Pi)] bound to prepowerstroke myosin induce an allosteric restructuring of the actin-binding surface on myosin to increase the rate of cross-bridge formation. We then show experimentally that this predicted effect translates into increased electrostatic interactions between actin and cardiac myosin in vitro. Finally, using small-angle X-ray diffraction analysis of sarcomere structure, we demonstrate that the proposed increased electrostatic affinity of myosin for actin causes a disruption of the resting conformation of myosin motors, resulting in their repositioning toward the thin filament before activation. The dATP-mediated structural alterations in myosin reported here may provide insight into an improved criterion for the design or selection of small molecules to be developed as therapeutic agents to treat systolic dysfunction.