Naučnici osmotrili da protein uključen u učenje i pamćenje formira lance

Naučnici iz Instituta NanoLSI na Univerzitetu Kanazava, sa Univerziteta Kjoto, univerziteta SOKENDAI i iz Nacionalnog instituta za fiziološke nauke otkrili su kako se CaMKIIα — ključni moždani protein uključen u učenje i pamćenje — samoorganizuje u strukture nalik lancima.

Studija pokazuje kako aktivacija uzrokuje rast ovih proteinskih struktura i kako mutacija povezana sa neurorazvojnim poremećajima menja njihovu organizaciju. Ovi nalazi bi mogli povećati naše razumevanje nastanka pamćenja i neuroloških bolesti.

Preporučujemo

Dok se formiraju nova pamćenja, veze između moždanih ćelija mogu postati jače. Protein nazvan CaMKIIα igra važnu ulogu u ovom procesu i nalazi se u naročito velikim količinama na mestima gde moždane ćelije komuniciraju. Naučnici odavno znaju da se više ovog proteina sakuplja na aktivnim vezama, ali nisu mogli jasno da vide kako se individualni molekuli proteina spajaju.

U novoj studiji korišćena je mikroskopija koja može da vizuelizuje individualne molekule u veoma visokoj rezoluciji, radi posmatranja kako se molekuli proteina CaMKIIα kreću i uzajamno reaguju u realnom vremenu. Istraživači su otkrili da se, u uslovima velike gužve, slično onima unutar veza moždanih ćelija, molekuli spajaju formirajući strukture nalik lancima.

CaMKIIα se normalno spaja kao kompleks u obliku prstena poznat kao holoenzim, koji tipično sadrži 12 proteinskih podjedinica. Pri niskim koncentracijama, kad su holoenzimi mogli slobodno da se šire, više od 95% se javljalo kao individualne čestice, neaktivne ili aktivirane. Stabilni klasteri se nisu formirali.

Slika se promenila kad su istraživači reprodukovali dve važne odlike postsinaptičkog okruženja: visoku molekularnu gustinu i ograničeno kretanje. Pod ovim prostorno ograničenim uslovima, holoenzimi CaMKIIα su kontaktirali jedan drugog i sklapali se u stabilne lance koji sadrže nekoliko holoenzima.

Aktivacija podstiče rast molekularnih lanaca

Kad nivoi kalcijuma porastu unutar moždane ćelije, drugi molekul zvan kalmodulin aktivira CaMKIIα. Ovo uzrokuje da se radni delovi proteina, poznati kao kinazni domeni, pomere ka spolja. Mikroskopija je pokazala da, dok se protein otvara, molekuli CaMKIIα formiraju veće lančane strukture. Rastojanje između susednih molekula povećalo se za oko četiri nanometra, što potvrđuje da je aktivirani protein dobio izduženiji oblik.

Aktivirani protein takođe može sebi dodati malu hemijsku oznaku, zvanu fosfatna grupa. Ovaj proces, poznat kao autofosforilacija, pomaže da CaMKIIα ostane aktivan nakon što nivoi kalcijuma opadnu. Istraživači su otkrili da je dodavanje ove oznake na određenom mestu pomoglo da veći lanci ostanu stabilni. Kompjuterske simulacije su podržale ova opažanja, pokazujući da je verovatnije da će proteini formirati veće grupe kad se otvore i kad im je kretanje ograničeno.

„Naše opservacije povezuju strukturne promene individualnih CaMKIIα holoenzima sa njihovom kolektivnom organizacijom u većem obimu“, kažu autori studije. „Rezultati sugerišu da aktivacija čini više od uključivanja kinazne aktivnosti - ona takođe menja način na koji se molekuli CaMKIIα spajaju jedni s drugima“.

Mogući most između molekularne aktivacije i sinaptičke organizacije

Dugotrajno jačanje veza između moždanih ćelija poznato je kao dugoročna potencijacija (LTP). Naučnici smatraju LTP jednim od glavnih procesa putem kojih mozak formira pamćenja. Istraživači kažu da se, tokom LTP-a, aktivirani molekuli CaMKIIα vezuju za receptore na prijemnoj strani spoja između moždanih ćelija.

Kad zauzmu poziciju, ovi molekuli mogu poslužiti kao početne tačke oko kojih se okupljaju drugi molekuli CaMKIIα. Proteini se zatim mogu povezati u lance i veće grupe. Ovo bi moglo objasniti kako veze između moždanih ćelija akumuliraju velike količine CaMKIIα potrebne za efikasnu komunikaciju, iako se samo neki od molekula proteina mogu direktno vezati za receptore.

Studija sugeriše da su kontakti između individualnih molekula CaMKIIα slabi. Međutim, kad su mnogi proteini na istom mestu i ne mogu slobodno da se kreću, veliki broj slabih kontakata može se kombinovati i proizvesti stabilne strukture. Ovo može pomoći da se objasni kako male promene u obliku individualnih molekula CaMKIIα dovode do formiranja mnogo većih proteinskih grupa na vezama između moždanih ćelija.

Abnormalni klasteri

Takođe je proučavan izmenjeni oblik CaMKIIα poznat kao P212L - naziv ukazuje da je jedan od gradivnih blokova proteina zamenjen drugim na poziciji 212. Ova promena je rezultat mutacije u genu CAMK2A, koji daje instrukcije za proizvodnju CaMKIIα. Opisuje se kao de novo mutacija jer nastaje spontano, umesto da je nasleđena. Povezana je sa poremećajem intelektualnog razvoja i drugim poremećajima koji utiču na razvoj mozga.

Prethodno istraživanje je otkrilo da se P212L lakše aktivira nego normalni protein. Kod miševa, može da proizvede neuobičajeno snažan oblik dugoročne potencijacije, trajnog jačanja veza između moždanih ćelija.

U sadašnjim eksperimentima, P212L je formirao mnogo veće grupe nego normalni protein, čak i dok je bio u mirovanju, tj. neaktiviranom stanju. Istraživači sugerišu da mutacija otežava proteinu da ostane u svom normalno savijenom, isključenom obliku. Rezultat je da će se verovatnije otvoriti i spojiti sa drugim molekulima CaMKIIα.

„Abnormalno bazalno grupisanje varijante P212L predstavlja moguću molekularnu vezu između izmenjene organizacije CaMKIIα i prekomerne sinaptičke reaktivnosti“, objašnjavaju autori. „Sad je važno da se testira da li se uporedivi klasteri formiraju u živim sinapsama i kako promene u veličini klastera utiču na funkciju neurona“.

Šta studija pokazuje — a šta ne pokazuje

Studija direktno demonstrira samoorganizaciju CaMKIIα u prečišćenom eksperimentalnom sistemu i identifikuje uslove koji kontrolišu veličinu klastera. Ona ne demonstrira postojanje istih lančanih struktura unutar živih neurona. Opservacije su izvršene na površini gde nespecifična adsorpcija može uticati na molekularno ponašanje. Stoga je u planu razvoj poboljšanih supstrata i uslova snimanja, i istraživanje da li se slična reverzibilna dinamika klastera dešava u nedirnutim sinaptičkim okruženjima.

Uprkos ovim ograničenjima, rad daje novi okvir za razumevanje kako lokalna koncentracija, stanje aktivacije i kretanje CaMKIIα mogu zajedno raditi na organizaciji sinaptičke signalizacije. Očekuje se da nalazi informišu buduće modele učenja i pamćenja, kao i studije o poremećajima u neurorazvoju koji su povezani sa mutacijama CAMK2A.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)