Ученые увидели, как фермент CaMKII «фиксирует» сигналы памяти в нейронах
Используя высокоскоростную атомно-силовую микроскопию (HS-AFM), исследователи запечатлели динамику CaMKII на уровне одиночных молекул.
МОСКВА, 11 января /Новости науки/. Учёные Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы (Япония) получили изображения в реальном времени, демонстрирующие, как кальмодулин-зависимая протеинкиназа II (CaMKII), один из ключевых ферментов обучения и памяти, самоорганизуется в структуру из 12 субъединиц. Исследование опубликована в журнале Nature Communications.
CaMKII участвует в синаптической пластичности — процессе, благодаря которому связи между нейронами усиливаются при обучении. Фермент известен тем, что образует «кольцо» из 12 белковых субъединиц, но до сих пор оставалось неясно, как именно два его варианта — α и β — комбинируются внутри одного комплекса и как это влияет на функцию.
Используя высокоскоростную атомно-силовую микроскопию (HS-AFM), исследователи запечатлели динамику CaMKII на уровне одиночных молекул. Наблюдения показали, что в 12-членном кольце α- и β-субъединицы смешиваются примерно в соотношении 3:1, что соответствует составу фермента в мозге млекопитающих. При этом β-субъединицы демонстрируют выраженную склонность располагаться рядом друг с другом: вероятность их соседства составила 83%, что приводит к формированию небольших β-кластеров.
При активации кальцием и кальмодулином — сигналами, связанными с нейронной активностью, — соседние β-субъединицы образуют устойчивые «комплексы киназных доменов», которые сохраняются длительное время. Такая организация снижает суммарную каталитическую активность CaMKII, но поддерживает доступную для взаимодействий поверхность, что может помогать сохранять «след» сигнала обучения даже после исчезновения исходного кальциевого импульса.
По оценке авторов статьи, β-субъединицы в этом механизме работают как «якоря», удерживая фермент в конфигурации, поддерживающей долговременную потенциацию — клеточную основу обучения.
Команда отмечает, что результаты дают новый взгляд на молекулярную архитектуру памяти и создают основу для дальнейших исследований: в частности, как мутации или дисбаланс α/β могут быть связаны с неврологическими и психиатрическими расстройствами, а также как CaMKII взаимодействует с актином и синаптическими рецепторами, включая NMDAR.
CaMKII участвует в синаптической пластичности — процессе, благодаря которому связи между нейронами усиливаются при обучении. Фермент известен тем, что образует «кольцо» из 12 белковых субъединиц, но до сих пор оставалось неясно, как именно два его варианта — α и β — комбинируются внутри одного комплекса и как это влияет на функцию.
Используя высокоскоростную атомно-силовую микроскопию (HS-AFM), исследователи запечатлели динамику CaMKII на уровне одиночных молекул. Наблюдения показали, что в 12-членном кольце α- и β-субъединицы смешиваются примерно в соотношении 3:1, что соответствует составу фермента в мозге млекопитающих. При этом β-субъединицы демонстрируют выраженную склонность располагаться рядом друг с другом: вероятность их соседства составила 83%, что приводит к формированию небольших β-кластеров.
При активации кальцием и кальмодулином — сигналами, связанными с нейронной активностью, — соседние β-субъединицы образуют устойчивые «комплексы киназных доменов», которые сохраняются длительное время. Такая организация снижает суммарную каталитическую активность CaMKII, но поддерживает доступную для взаимодействий поверхность, что может помогать сохранять «след» сигнала обучения даже после исчезновения исходного кальциевого импульса.
По оценке авторов статьи, β-субъединицы в этом механизме работают как «якоря», удерживая фермент в конфигурации, поддерживающей долговременную потенциацию — клеточную основу обучения.
Команда отмечает, что результаты дают новый взгляд на молекулярную архитектуру памяти и создают основу для дальнейших исследований: в частности, как мутации или дисбаланс α/β могут быть связаны с неврологическими и психиатрическими расстройствами, а также как CaMKII взаимодействует с актином и синаптическими рецепторами, включая NMDAR.
