影像技术革命使心力衰竭分子进入视野

哥伦比亚大学医学中心的科学家们利用使智能手机摄像头成为可能的同样技术，以前所未有的细节水平拍摄单个分子的图像，包括与心脏病和肌肉疾病有关的分子图像。

ryanodine受体是一种膜蛋白，在肌肉细胞中作为钙离子通道发挥作用。ryanodine受体的新图像导致了其三维结构的确定。ryanodine受体缺陷可导致心力衰竭、年龄相关性肌无力和肌营养不良。

新发现的结构将使研究人员能够了解分子如何工作，为什么它在心脏病中失败，以及如何设计药物以改善错误受体的功能。

这些结果是，在MD的Andrew Marks，MD的实验室之间的级别是研究过​​多年的ryanodine受体的生理学;Joachim Frank，博士学位，博士学位博士是电子显微镜的世界领先的专家;和韦恩亨德利克森，博士学位，谁是一个杰出的X射线晶体。

相机前进分子成像中的火花文艺复兴

生物分子是微小的，甚至最大的分子也只有1 / 10,000的宽度作为人发的宽度。

这类分子的最高分辨率图像传统上是通过使用精确排列的感兴趣分子晶体的X射线衍射技术拍摄的。不幸的是，将生物学家和制药公司最感兴趣的许多生物分子制成晶体是一项挑战，对一些人来说，这几乎是不可能的。

可以用电子显微镜对更广泛的生物分子进行成像，其不需要晶体。但直到新摄像机的出现，这种图像的分辨率往往太低，不能获得药物设计师所需的精致细节的精确模型。

2012年，哥伦比亚大学生物化学、分子生物物理学和生物科学教授弗兰克（Frank）和一名HHMI研究人员在实验室部署了第一台新摄像机，他开发了一种从许多单一图像确定分子结构的方法。

与智能手机同类产品一样，这款相机基于有源像素传感器技术，与之前使用的基于充电耦合设备的相机相比，它提供了更高的分辨率、更高的对比度和更少的图像伪影。

手机中的相机首先在2000年代初开始提供，但由于电子显微镜作为“镜头”的电子显微镜，所以用于分子成像的摄像机需要更长时间。电子显微镜通过用电子轰击分子来捕获图像，这将损坏设计用于检测较少精力充沛的光子的传感器。

一旦工程师能够设计能够承受电子的传感器，第一台相机很快就会在市场上出现，而且它们引发了分子成像的文艺复兴，“弗兰克说。

为了获得ryanodine受体的图像，马克实验室的博士后Ran Zalk、哥伦比亚大学分子心脏病学教授兼生理学和细胞生物物理学主席Clyde和Helen Wu首先制备了一种含有数十亿个分子拷贝的纯化溶液。将样品置于平面（网格）上并快速冷冻以保持分子静止。

然后将网格放置在电子显微镜中，并通过样品发射电子。当电子从分子上反弹并通过透镜时，它们落在相机传感器上，产生可以转换为分子图像的“投影”。

弗兰克实验室的博士后阿梅·德·德·乔治（Amédée Des Georges）利用图像处理技术将投影平均化，创建了该分子的三维模型。

技术揭示了ryanodine受体的从未见过的细节

当ryanodine受体通道正常工作时，分子通过控制钙离子通过其中心孔来调节心脏和骨骼肌中的收缩。

相反，当ryanodine受体通道发生故障时，它允许钙通过孔隙漏出，从而加重心脏衰竭或导致杜氏肌营养不良症的肌无力。杜氏肌营养不良症是一种遗传性疾病，影响3500名男孩中的一名。

上世纪90年代初，弗兰克曾试图通过旧一代电子显微镜、胶片记录和功能较弱的计算机来揭示ryanodine受体的形状，但现在已经揭示了该分子的大致轮廓，包括孔。但他们并没有提供一个角落和缝隙的图片，这是了解分子如何工作以及其缺陷如何导致疾病所必需的。

新型号揭示了这些细节，以及一些未预料的细节。该分子充满了螺旋结构 - 一个接一个地排列 - 这使它能够使哥伦比亚团队认为可以参与打开钙通道的侧面的灵活性。

图像为ryanodine受体的原子建模提供了足够的细节

虽然ryanodine受体通道的这种新形象含有下降到5Ångström的细节（纳米的十分之一），但需要额外的建模来定位分子中每个原子的位置。

适应技术用于X射线晶体学，结构生物学家Oliver Clarke，Hendrickson实验室的博士后研究员，大学教授在生物化学和分子生物物理学系和小提琴家庭生理学和细胞生物物理学教授，能够映射每个氨基酸将分子到结构上，以产生更精细的“原子”模型。

通过这种模型，生物学家现在可以看到发生ryanodine受体信道中的突变的位置，了解突变如何影响通道的功能，以及模型如何打开和关闭如何打开和关闭。

http://youtu.be/jzl6vqie8mk.

新模型发表在1月1日的《科学》杂志上自然.

来年，随着研究人员努力获取孔开放的分子图像（目前的研究仅揭示了孔闭合时的通道结构），关于ryanodine受体通道的更多细节将变得清晰。

已经开发出漏洞的药物，兔子受体通道已经开发出来;他们改善了与年龄相关的肌肉弱点和Duchenne肌营养不良的动物的肌肉力，并在心力衰竭中改善动物的心功能。临床试验将杜鹃肌营养不良的男孩中的临床试验将很快开始。

“拥有手头的结构将完全改变瑞尼诺受体信道研究的领域，”标记说。“它将让我们新的见解探索药物如何工作以及如何使他们更好地工作。