Resumen

We studied thick filaments by cryo-electron microscopy (EM), preserving their native structure, and carried out a 3D-reconstruction (~2.5 nm resolution) using single-particle techniques. The reconstruction showed crucial new details, fitting well the atomic structure of dephosphorylated (OFF-state) heavy meromyosin from smooth muscle obtained by EM of 2D-crystals. The myosin heads interact asymmetrically, with one head actin-binding region interacting with the other head converter/light chain regions; and both heads pointing ‘down’ towards the tail, as found previously by EM of smooth muscle myosin molecules. Fitting reveals (1) that the myosin subfragment-2 (S2) is very close to the ‘actin-blocked’ head, confirming single molecule EM; (2) interactions of the lower free-head actin-binding domain with the upper blocked-head ELC, and the blocked-head converter/SH3 domains with the adjacent tail. These interactions may help in forming/stabilizing the helices of heads. This result provides new insight into the structural basis of muscle relaxation: (1) strongly suggests that the single molecule interacting-heads-down model also occurs in living muscle filaments; (2) the agreement of crystal and single molecule EM studies with the fitting, provides a compelling structural model for how myosin is switched OFF in resting muscle; (3) the fit of the atomic structure of a vertebrate, smooth muscle myosin molecule into the reconstruction of an invertebrate, striated muscle, myosin filament, suggests that the interacting-heads-down motif may be a widespread OFF structure, present in many myosin-based contractile systems. In the OFF state heads lie at filament surface, interacting with each other, either inhibiting their interaction with actin, (blocked-head), or ATP hydrolysis (free-head). On activation Ca2+ switches ON the thick filaments, by phosphorylation of the regulatory light chains, breaking the bond between the heads, which thus become mobile and independent of each other, resulting in their disordering on the filament surface and the freedom to interact with actin, leading to muscle contraction.
Supported by the National Institutes of Health (RC), and Fondo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación FONACIT (RP).

CV

El Dr. Padrón es International Research Scholar de la Howard Hughes Medical Institute (HHMI) de los EE.UU. desde 1997, e Investigador Titular del Departamento de Biología Estructural del Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC) de Venezuela.

Recibió su doctorado con mención Summa cum Laude en Fisiología y Biofísica en el Centro de Estudios Avanzados (CEA) del IVIC en 1979, y realizó su postdoctorado en el Medical Research Council (MRC) Laboratory of Molecular Biology de Cambridge, Inglaterra hasta 1983.

Ha sido científico visitante en el European Molecular Biology Laboratory (EMBL) en Hamburgo, Alemania; en el Science and Engineering Research Council (SERC); en el MRC Laboratory of Molecular Biology de Inglaterra, y en la University of Massachusetts Medical School (UMASS) de los EE.UU., universidad de la cual es Profesor Visitante desde el año 2004.

Ingresó en el IVIC hace 38 años (1966). Luego de servir como Investigador Asociado del IVIC, logró su posición actual de Investigador Titular en 1994. En 1997 junto al Dr. Leonardo Mateu fundó el nuevo Departamento de Biología Estructural "Humberto Fernández-Moran" del IVIC. Además es Director del Centro Latino-Americano Philips de Crio-Microscopía Electrónica (CLAPCME) cuya sede es el Departamento de Biología Estructural "Humberto Fernández-Morán" del IVIC, Departamento del cual es Jefe desde su creación en 1997; Director Suplente por parte del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT) en la Junta Directiva de la Fundación Venezolana de Promoción al Investigador (FVPI), miembro suplente de la Junta Directiva de la Fundación Instituto de Ingeniería (FII) en representación del IVIC y miembro del Consejo Directivo del IVIC en representación del Consejo Nacional de Universidades (CNU), del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT), y ahora del Ministerio de Educación Superior (MES). El Dr. Padrón es Director Adjunto del Laboratorio Nacional de Microscopia Electrónica del FONACIT y Sub-Director del IVIC desde el 18/10/2004.

El Dr. Padrón ha recibido honores que incluyen su designación quinquenal como International Research Scholar de la Howard Hughes Medical Institute (HHMI) de los EE.UU. en 1997, y nuevamente en el 2001, su designación como Miembro de la Academia de Ciencias de America Latina (ACAL) en el 2002, el Premio Lorenzo Mendoza Fleury de Fundación Polar en 1991 y 3 premios en Biología del CONICIT (1989, 1990 y 1996). Al Dr Padrón le han sido otorgados grants de la Muscular Dystrophy Association (MDA), el Fogarty International Center y la National Science Foundation (NSF) de los EE.UU.; asi como subvenciones de Fundación Vollmer, CONICIT y de Petroleos de Venezuela S.A. (PDVSA).

El Dr Padrón y su grupo de investigación integrado por la Dra. Maria Elena Zoghbi (actualmente el el exterior), el Dr. Jose Reinaldo Guerrero, el M. Sc. Fredi Sanchez, el Med. Cir. Ulf Lundberg, el Lic. Lorenzo Alamo y el Ing. Electrónico. Antonio Pinto trabajan en el Departamento de Biología Estructural del IVIC estudiando la estructura y función del filamento grueso del músculo estriado, e investigan como ocurre su activación por la fosforilación de las cadenas ligeras reguladoras del motor molecular miosina, proponiendo recientemente por vez primera el modelo atómico del filamento grueso, el cual ha aparecido en las portadas del Journal of Molecular Biology, Journal of Muscle Research and Cell Motility y otras revistas. Estos estudios revisten importancia en vista de que se han reportado ocho mutaciones en las cadenas ligeras reguladoras de la miosina de los músculos esqueléticos lentos y del músculo ventricular de los seres humanos que están relacionadas a la enfermedad hereditaria cardiomiopatía.