肥厚型心肌病 (HCM) 是所有遗传性心脏病中最常见的一种，是导致心源性猝死的主要原因。它的特点是心肌异常增厚，随着时间的推移会导致心脏功能障碍，并最终导致心力衰竭。

一篇发表在美国国家科学院院刊( PNAS ) 上论文描述了一项复杂的长期研究结果，这项研究使人们对基因突变如何在细胞水平上发挥作用导致HCM有了新的认识，并为如何预防它提供了新的视角。

在这项论文中，作者解释说，目前已经发现了一千多个导致HCM的基因突变。其中大多数存在于编码肌节蛋白的基因中，肌节蛋白是是负责产生和调节收缩和放松的心肌结构块。大约三分之一的突变位于 β 心肌肌球蛋白，这是驱动心脏细胞收缩的主要蛋白质。大约三分之一的突变位于β心肌素，即驱动心脏细胞收缩的主要蛋白质。心肌以及我们身体中的每一块肌肉的收缩是由运动蛋白肌球蛋白沿着肌动蛋白分子链 "行走 "的过程产生的，这一过程被称为横桥循环。在此过程中，ATP 形式的化学能转化为机械能，最终导致心脏收缩。

在收缩之前，交织在一起的双股肌球蛋白分子的一条股的头部紧贴着肌动蛋白分子。当被称为生物系统的“能量货币”的ATP分子与肌球蛋白头部结合时，肌肉收缩开始。肌球蛋白头和附着的ATP随后与肌动蛋白分离，启动ATP的水解，从而转化为ADP和一个磷酸基团。这一过程释放出能量，将肌球蛋白“锁定”为高能状态，并改变肌球蛋白的形状，使其准备好沿着肌动蛋白爬行。此时，磷酸盐从肌球蛋白中释放出来，使肌球蛋白推动肌动蛋白并释放磷酸盐，这导致肌球蛋白走到下一条肌动蛋白链上并收缩肌肉。所有这些，涉及数百万头肌球蛋白在肌动蛋白上行走的步骤，需要几微秒才能完成，必须以适当的速度发生，以维持心脏健康。

由于HCM经常出现在有β心肌蛋白突变的患者身上，因此有人假设HCM突变会导致一连串的事件，最终表现为对心脏本身的损害。这项研究对这一观点进行了验证试，重点放在单个突变 P710R 上，它极大地降低了体外运动速度——肌球蛋白马达在肌动蛋白上行走的速度，而其他MYH7突变则导致了运动速度的增加。

该项目的首要研究问题是了解与患者心脏病相关的突变如何在细胞水平上改变心脏功能。

该团队使用 CRISPR 技术通过将 P710R 突变插入其中来编辑人类诱导的多能干细胞心肌细胞（负责心脏收缩的细胞）。这种纯粹的、无突变的细胞系提供了一个完美的基准，可以与细胞进行比较，非常精确地看到P710R突变的影响。例如，研究团队现在正在测试相同遗传背景下与心脏病相关的不同突变的影响。

研究人员表示，可以有 10 个人在这种蛋白质中具有相同的基因突变，他们可能具有不同程度的临床意义，因为他们基因组的其余部分是不同的；这就是使我们成为个体的原因。这些可帮助我们监测基因突变的结果是什么。通过比较不同突变的影响，可以开始梳理这些变化如何导致 HCM。它使我们能够仔细观察细胞如何以及为什么适应以这种方式突变，并获取数据并将其与心脏壁的厚度和下游发生的所有其他事情联系起来。

这项研究始于近 15 年前，现在，CRISPR技术使研究人员能够设计出表达与心脏疾病有关的特定突变的细胞，然后评估分子和功能变化，以确定已在HCM患者身上发现的个别突变的细胞影响。这些研究将从机制上了解个别突变在分子水平上如何转化为患者的HCM。

在该项目中，一旦引入突变，研究团队对细胞进行检测，使用牵引力显微镜，这种检测可以同时观察跳动的细胞和它产生的力。他们使用光阱在分子水平上对相同的突变蛋白质进行了单独的研究，在该陷阱中，当肌球蛋白头沿着肌球蛋白行走时，施加光压以精确控制夹在珠子之间的肌球蛋白 "哑铃 "的位置和力量，从而测量肌球蛋白的动力循环。该测定表明，P710R突变降低了肌球蛋白运动的步长和肌球蛋白与肌动蛋白分离的速率。

这些观察结果随后与肌球蛋白马达如何在细胞中相互作用以产生力的计算模型进行了比较。结果证实了被称为肌球蛋白的 "超级放松状态 "的调节的关键作用。正如研究人员解释的那样，肌球蛋白头花费大量时间处于超松弛状态，指的是它与肌动蛋白解离的状态下。任何改变肌球蛋白马达与肌动蛋白结合的时间或强度的突变或药物都会改变细胞力产生和改变驱动重塑和生长或肥大的下游信号事件。

建模预测 P710R 诱导的 SRX/DRX 转换调制对于过度收缩至关重要。

本研究中发现P710R突变会破坏超放松状态。结果，在携带突变的细胞中，更多的肌球蛋白头与肌动蛋白结合，这解释了在这些细胞中观察到的力量增加。

研究团队表示，在如此广泛的多学科合作中跨这些实验室和这些技能工作，并看到分子测量和计算，以及细胞衍生的测量，使其能够进行基因工程和剖析单个突变，直接测试特定突变如何引入导致 HCM 的变化，随后可以开始开发模型并确定下一代药物疗法。我们不只是识别症状，而是可以研究功能障碍的基础机制，然后在它变成疾病之前在细胞水平上解决这些问题。

参考资料：

Alison Schroer Vander Roest, Chao Liu, Makenna M. Morck, Kristina Bezold Kooiker, Gwanghyun Jung, Dan Song, Aminah Dawood, Arnav Jhingran, Gaspard Pardon, Sara Ranjbarvaziri, Giovanni Fajardo, Mingming Zhao, Kenneth S. Campbell, Beth L. Pruitt, James A. Spudich, Kathleen M. Ruppel, Daniel Bernstein.Hypertrophic cardiomyopathy β-cardiac myosin mutation (P710R) leads to hypercontractility by disrupting super relaxed state.Proceedings of the National Academy of Sciences Jun 2021, 118 (24) e2025030118; DOI: 10.1073/pnas.2025030118