Моделирование белковых структур, участвующих в формировании памяти

Сложные белковые взаимодействия в синапсах необходимы для формирования памяти, но их механизмы остаются малоизученными. Исследователи из Японии разработали вычислительную модель, раскрывающую новые детали об уникальных структурах «капля внутри капли», которые образуют связанные с памятью белки в синапсах. Они обнаружили, что формальные характеристики одного из этих белков критически важны для формирования таких структур, что может пролить свет на природу различных неврологических расстройств.

Специализированные области соединения нейронов — постсинаптические уплотнения — считаются ключевыми местами, где белки должны организовываться определённым образом для облегчения обучения и формирования памяти. В частности, исследование 2021 года показало, что связанные с памятью белки могут связываться, образуя каплевидные структуры. Особый интерес представляет их уникальная организация по принципу «капля внутри капли».

На этом фоне исследовательская группа под руководством Викаса Пандея из Международного центра исследований мозга (ICBS) Университета Фудзита Хэлс, Япония, создала инновационную вычислительную модель, воспроизводящую эти сложные белковые структуры.

Их работа, опубликованная онлайн в журнале Cell Reports 7 апреля 2025 года, исследует механизмы формирования многослойных белковых конденсатов.

Исследователи сосредоточились на четырёх белках, обнаруженных в синапсах, уделив особое внимание Ca²⁺/кальмодулин-зависимой протеинкиназе II (CaMKII) — белку, особенно обильному в постсинаптических уплотнениях. Используя методы вычислительного моделирования, они смоделировали взаимодействие и самоорганизацию этих белков в различных условиях. Их модель успешно воспроизвела формирование наблюдаемых ранее структур «капля внутри капули».

Моделирование и анализ физических сил и химических взаимодействий пролили свет на процесс, называемый разделением фаз жидкость-жидкость (LLPS), при котором белки спонтанно организуются в конденсаты без мембран.

Ключевым открытием стало то, что уникальная структура «капля внутри капли» возникает в результате конкурентного связывания между белками и значительно зависит от формы CaMKII, а именно от его высокой валентности (количества сайтов связывания) и короткой длины линкера.

Эти свойства формы CaMKII приводят к низкому поверхностному натяжению и медленной диффузии, что позволяет белковым конденсатам оставаться стабильными в течение длительного времени. Эта стабильность обеспечивает устойчивую активацию нижестоящих сигнальных путей, необходимых для синаптической пластичности — клеточной основы обучения и памяти.

«Наши результаты выявили новые взаимосвязи структуры и функции для CaMKII как синаптической единицы памяти. Это первое систематическое и механистическое исследование, изучающее расходящуюся структуру регулируемых белками многофазных конденсатов», — говорит доктор Пандей.

Эти результаты могут проложить путь к лучшему пониманию возможных механизмов формирования памяти у людей. Долгосрочные последствия этого исследования выходят далеко за рамки фундаментальной нейробиологии.

Дефекты формирования синапсов связаны с многочисленными неврологическими и психическими расстройствами, включая шизофрению, расстройства аутистического спектра, синдром Дауна и синдром Ретта.

«В целом, вычислительная модель, разработанная в этом исследовании, может служить важной платформой для изучения этих состояний, потенциально ведущей к новым диагностическим инструментам и терапевтическим подходам», — объясняет доктор Пандей.