Высокоскоростная микроскопия показала, как мозговой фермент формирует кольцевую структуру
Ученые из Института нано-наук о жизни (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы зафиксировали в реальном времени, как ключевой фермент мозга самоорганизуется для формирования памяти.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что фермент CaMKII образует смешанные структуры из α/β субъединиц, взаимодействие которых стабилизирует сигналы, связанные с обучением, в нейронах.
Молекулярный переключатель для обучения
Один из важнейших ферментов мозга для обучения и памяти — Ca²⁺/кальмодулин-зависимая протеинкиназа II (CaMKII). Он действует как молекулярный переключатель, включая и выключая сигналы для укрепления связей между нервными клетками — процесс, известный как синаптическая пластичность.
При обучении связи между нейронами (синапсы) усиливаются. CaMKII управляет этим изменением, реорганизуя и активируя молекулы внутри синапсов.
CaMKII состоит из 12 белковых субъединиц, расположенных в виде кольца. Два типа субъединиц — α (альфа) и β (бета) — смешаны в разных пропорциях в различных областях мозга. Ученые давно подозревали, что точный баланс между этими двумя формами важен для формирования памяти, но до сих пор никто не видел, как α и β субъединицы сочетаются и функционируют вместе внутри структуры фермента.
Съемка молекул в движении
Используя высокоскоростную атомно-силовую микроскопию (HS-AFM), команда под руководством Микихиро Шибаты сняла динамические движения CaMKII на уровне отдельных молекул. Изображения показали, что α и β субъединицы смешиваются в 12-звенном кольце в соотношении 3:1, что близко соответствует естественному составу, обнаруженному в переднем мозге млекопитающих.
Исследователи также обнаружили, что β субъединицы предпочтительно располагаются рядом друг с другом, с вероятностью смежности 83%, образуя небольшие кластеры внутри кольцевой структуры фермента.
Стабильная молекулярная память
Когда фермент активировался кальцием и кальмодулином — сигналами, связанными с нейронной активностью, — эти смежные β субъединицы формировали стабильные "комплексы киназных доменов", которые сохранялись в течение длительного времени.
Эта структура снижала общую каталитическую активность фермента, но поддерживала открытую поверхность, способную взаимодействовать с другими белками. Это позволяло сигналам, связанным с памятью, сохраняться даже после затухания первоначального кальциевого сигнала.
"Наши HS-AFM видео показывают, как CaMKII реорганизуется на молекулярном уровне, чтобы стабилизировать сигналы памяти", — говорит Шибата. — "β субъединицы действуют как якоря, удерживающие фермент в активной, поддерживающей память конфигурации".
Исследователи объединили передовые структурные и биохимические методы. HS-AFM зафиксировала движения субъединиц CaMKII в реальном времени с нанометровым разрешением. Биохимические анализы количественно оценили активацию фермента и дефосфорилирование в различных условиях. Моделирование AlphaFold3 предсказало форму и взаимодействия димеров β субъединиц, образующихся при активации. Эти интегрированные подходы показали, как субъединицы CaMKIIβ стабилизируют активное состояние и помогают поддерживать структурную память, лежащую в основе долговременной потенциации (LTP) — клеточной основы обучения.
Результаты дают новое представление о молекулярной архитектуре памяти и открывают возможности для изучения того, как мутации или дисбаланс субъединиц в CaMKII способствуют неврологическим и психическим расстройствам.
Команда планирует расширить свои исследования с помощью HS-AFM, чтобы наблюдать, как CaMKII взаимодействует с актиновыми филаментами и синаптическими рецепторами, такими как NMDAR, которые связывают активность фермента с изменениями формы и связности нейронов.