Cercetarea dezvăluie cum proteinele CaMKIIα se organizează în procesul de formare a memoriei
Cercetătorii de la Institutul Nano Life Science (WPI-NanoLSI) de la Universitatea Kanazawa, Universitatea Kyoto, SOKENDAI și Institutul Național de Științe Fiziologice au descoperit cum CaMKIIα, o proteină esențială a creierului implicată în învățare și memorie, se organizează în structuri de tip lanț.
Studiul lor, publicat în Science Advances, arată cum activarea determină creșterea acestor structuri proteice și cum o mutație asociată cu tulburările neurodezvoltării modifică organizarea acestora, descoperiri care ar putea aprofunda înțelegerea noastră asupra formării memoriei și a bolilor neurologice.
Pe măsură ce se formează noi amintiri, conexiunile dintre celulele nervoase devin mai puternice. O proteină numită CaMKIIα joacă un rol important în acest proces și se regăsește în cantități mari la punctele de comunicare dintre celulele nervoase. Deși cercetătorii știau de mult timp că această proteină se acumulează la conexiuni active, nu au putut observa clar cum se reunesc moleculele individuale de proteină.
În noul studiu, echipa condusă de Mikihiro Shibata a utilizat microscopie de forță atomică de mare viteză, o tehnică care permite vizualizarea moleculelor individuale la o rezoluție foarte înaltă, pentru a observa cum moleculile de CaMKIIα se mișcă și interacționează în timp real. Cercetătorii au descoperit că, în condiții aglomerate, asemănătoare celor din conexiunile celulelor nervoase, moleculele se unesc pentru a forma structuri de tip lanț.
CaMKIIα se asamblează de obicei ca un complex în formă de inel numit holoenzimă, care conține de obicei 12 subunități proteice. La concentrații scăzute, unde holoenzimele se pot difuza liber, mai mult de 95% apar ca particule individuale, fie inactive, fie activate. Grupuri stabile nu s-au format.
Imaginea s-a schimbat atunci când cercetătorii au recreat două caracteristici importante ale mediului postsinaptic: densitate moleculară mare și mișcare restricționată. În aceste condiții spațial restricționate, holoenzimele CaMKIIα au interacționat între ele și s-au asamblat în lanțuri stabile, conținând mai multe holoenzime. Punctele de contact observate prin HS-AFM au indicat că interacțiunile au avut loc prin domeniile kinazei proteinelor, regiunile responsabile pentru activitatea catalitică.
Grupurile au început să se formeze la densități sub cele estimate în interiorul densității postsinaptice, regiunea de semnalizare bogată în proteine a unei sinapse. Acest lucru sugerează că mediul aglomerat și constrâns al unui spino dendritic ar putea favoriza puternic organizarea de ordin superior a CaMKIIα.
Activarea determină creșterea lanțurilor moleculare. Când nivelurile de calciu cresc în interiorul unei celule nervoase, o altă moleculă numită calmodulin activează CaMKIIα. Aceasta determină mișcarea părților funcționale ale proteinei, cunoscute sub numele de domenii kinazei, către exterior. Microscopie de forță atomică de mare viteză a arătat că, pe măsură ce proteina se deschide, moleculele de CaMKIIα formează structuri de tip lanț mai mari. Distanța dintre moleculele vecine a crescut cu aproximativ patru nanometri, confirmând că proteina activată a adoptat o formă mai extinsă.
Proteina activată poate adăuga, de asemenea, o mică etichetă chimică, numită grup fosfat, asupra sa. Acest proces, cunoscut sub numele de autofosforilare, ajută CaMKIIα să rămână activ după ce nivelurile de calciu scad. Cercetătorii au descoperit că adăugarea acestei etichete la un anumit loc ajută lanțurile mai mari să rămână stabile. Simulările pe computer au susținut observațiile, arătând că proteinele sunt mai susceptibile să formeze grupuri mai mari atunci când se deschid și când mișcarea lor este restricționată.
„Observațiile noastre conectează schimbările structurale ale holoenzimelor CaMKIIα individuale cu organizarea lor colectivă la o scară mai mare”, afirmă Shibata. „Rezultatele sugerează că activarea nu face doar să pornească activitatea kinazei: ea schimbă și modul în care moleculele CaMKIIα se asamblează între ele.”
Se conturează un posibil pod între activarea moleculară și organizarea sinaptică. Întărirea de lungă durată a conexiunilor dintre celulele nervoase este cunoscută sub numele de potențiere pe termen lung (LTP). Oamenii de știință consideră LTP unul dintre principalele procese prin care creierul formează amintiri.
Cercetătorii propun că, în timpul LTP, moleculele CaMKIIα activate se atașează de receptori la partea de primire a unei conexiuni între celulele nervoase. Odată ce sunt fixate, aceste molecule ar putea oferi puncte de plecare în jurul cărora se adună alte molecule CaMKIIα. Proteinele pot apoi să se unească pentru a forma lanțuri și grupuri mai mari. Acest mecanism ar putea explica cum conexiunile dintre celulele nervoase acumulează cantitățile mari de CaMKIIα necesare pentru o comunicare eficientă, deși doar unele dintre moleculele de proteină se pot atașa direct de receptori.
Studiul sugerează că contactele dintre moleculele individuale de CaMKIIα sunt slabe. Totuși, atunci când multe proteine sunt aglomerate și nu pot să se miște liber, un număr mare de contacte slabe pot combina pentru a produce structuri stabile. Acest lucru ar putea explica cum schimbările mici în forma moleculelor individuale de CaMKIIα conduc la formarea unor grupuri proteice mult mai mari la conexiunile dintre celulele nervoase.
Echipa a studiat, de asemenea, o formă modificată de CaMKIIα, cunoscută sub numele de P212L. Această denumire indică faptul că unul dintre blocurile de construcție ale proteinei a fost înlocuit de altul la poziția 212. Această modificare rezultă dintr-o mutație în CAMK2A, gena care furnizează instrucțiunile pentru producerea CaMKIIα. Este descrisă ca o mutație de novo, deoarece apare spontan, mai degrabă decât fiind moștenită de la un părinte. Mutația a fost asociată cu handicap intelectual și alte tulburări care afectează dezvoltarea creierului.
Cercetările anterioare au descoperit că P212L este activat mai ușor decât proteina normală. La șoareci, poate produce, de asemenea, o formă neobișnuit de puternică de potențiere pe termen lung (LTP), întărirea durabilă a conexiunilor dintre celulele nervoase.
În experimentele actuale, P212L a format grupuri mult mai mari decât proteina normală, chiar și atunci când se afla în starea sa de repaus, inactivă. Cercetătorii sugerează că mutația face mai dificil pentru proteină să rămână în forma sa normală, pliată și oprită. Ca urmare, este mai probabil să se deschidă și să se alăture altor molecule CaMKIIα.
„Aglutinarea anormală de bază a variantei P212L oferă un posibil link molecular între organizarea modificată a CaMKIIα și răspunsul sinaptic
