Modeling Thick Filament Activation Suggests a Molecular Basis for Force Depression
Notice bibliographique
Résumé
ABSTRACT Multiscale models aiming to connect muscle’s molecular and cellular function have been difficult to develop, in part, due to a lack of self-consistent multiscale data. To address this gap, we measured the force response from single skinned rabbit psoas muscle fibers to ramp shortenings and step stretches performed on the plateau region of the force-length relationship. We isolated myosin from the same muscles and, under similar conditions, performed single molecule and ensemble measurements of myosin’s ATP-dependent interaction with actin using laser trapping and in vitro motility assays. We fit the fiber data by developing a partial differential equation model that includes thick filament activation, whereby an increase in force on the thick filament pulls myosin out of an inhibited state. The model also includes a series elastic element and a parallel elastic element. This parallel elastic element models a titin-actin interaction proposed to account for the increase in isometric force following stretch (residual force enhancement). By optimizing the model fit to a subset of our fiber measurements, we specified seven unknown parameters. The model then successfully predicted the remainder of our fiber measurements and also our molecular measurements from the laser trap and in vitro motility. The success of the model suggests that our multiscale data are self-consistent and can serve as a testbed for other multiscale models. Moreover, the model captures the decrease in isometric force observed in our muscle fibers after active shortening (force depression), suggesting a molecular mechanism for force depression, whereby a parallel elastic element combines with thick filament activation to decrease the number of cycling cross-bridges. SIGNIFICANCE Connecting the molecular and cellular scales of muscle contraction would assist in, e.g., the treatment of genetic muscle diseases, the development of heart drugs, and the design of prostheses. The history dependence of muscle contraction, having no clear molecular basis, has remained an obstacle in making this connection for the seventy years since its discovery. We measured the force- and motion-generating capacity of rabbit psoas muscle from the scale of single molecules to single cells. We developed a mathematical model that, when fit to some of the cellular measurements, predicted the remaining cellular measurements and also the molecular measurements. The model’s ability to capture muscle’s history dependence suggests a unified description of muscle contraction from the molecular to cellular scale.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».