Структура білка CaMKII: ключ до моделювання механізмів пам'яті

Складні білкові взаємодії в синапсах є фундаментальними для формування пам'яті в нашому мозку, проте механізми, що лежать в основі цих процесів, залишаються значною мірою незрозумілими. Нещодавно дослідники з Японії розробили обчислювальну модель, яка проливає нове світло на унікальні білкові структури типу «крапля-в-краплі», що формуються в синапсах білками, пов'язаними з пам'яттю. Вони виявили, що характеристики форми одного з ключових білків є вирішальними для утворення цих структур, що може допомогти зрозуміти природу різноманітних неврологічних розладів.

Надзвичайна здатність нашого мозку формувати та зберігати спогади давно захоплює вчених, однак більшість мікроскопічних механізмів, що лежать в основі процесів пам'яті та навчання, залишаються таємницею. Сучасні дослідження вказують на важливість біохімічних реакцій, що відбуваються в постсинаптичних щільностях — спеціалізованих ділянках, де нейрони з'єднуються та спілкуються. Ці крихітні з'єднання між клітинами мозку тепер вважаються ключовими місцями, де білки повинні організовуватися певним чином, щоб сприяти навчанню та формуванню пам'яті. Розуміння цих процесів є критично важливим для фундаментальної нейронауки та потенційної розробки терапевтичних стратегій для лікування порушень пам'яті.

Зокрема, дослідження, опубліковане у 2021 році, показало, що білки, пов'язані з пам'яттю, можуть зв'язуватися разом, утворюючи краплеподібні структури в постсинаптичних щільностях. Що робить ці структури особливо інтригуючими, так це їхня унікальна організація «крапля-в-краплі», яка, на думку вчених, може бути фундаментальною для того, як наш мозок створює довготривалі спогади. Однак розуміння того, як саме і чому формуються такі складні білкові утворення, залишалося значним викликом для нейронауки. Відсутність детальних знань про молекулярні рушійні сили та структурні детермінанти цих процесів обмежувала наше розуміння базових механізмів пам’яті.

На цьому тлі дослідницька група під керівництвом дослідника Вікаса Пандея з Міжнародного центру наук про мозок (ICBS) Університету охорони здоров'я Фудзіта, Японія, розробила інноваційну обчислювальну модель, яка відтворює ці складні білкові структури. Їхня робота, нещодавно опублікована онлайн у престижному журналі Cell Reports, досліджує механізми формування багатошарових білкових конденсатів. Співавторами дослідження виступили доктор Томохіса Хосокава та доктор Ясунорі Хаяші з кафедри фармакології Вищої школи медицини Кіотського університету, а також доктор Хідетоші Уракубо з ICBS Університету охорони здоров'я Фудзіта. Ця міждисциплінарна співпраця об'єднала експертизу в галузі обчислювального моделювання та експериментальної нейробіології.

Дослідники зосередилися на чотирьох білках, виявлених у синапсах, приділяючи особливу увагу Ca²⁺/кальмодулін-залежній протеїнкіназі II (CaMKII) — білку, який особливо рясно представлений у постсинаптичних щільностях і відомий своєю ключовою роллю у синаптичній пластичності та пам'яті. Використовуючи методи обчислювального моделювання, вони симулювали, як ці білки взаємодіють та самоорганізуються за різних умов. Їхня модель успішно відтворила формування вищезгаданих структур «крапля-в-краплі», які спостерігалися в попередніх експериментальних дослідженнях, підтверджуючи валідність їхнього підходу. Це стало важливим кроком у перевірці здатності моделі відображати реальні біологічні процеси.

За допомогою симуляцій та детального аналізу залучених фізичних сил та хімічних взаємодій дослідницька група пролила світло на процес, відомий як фазове розділення рідина-рідина (LLPS). Цей процес передбачає спонтанну самоорганізацію білків у безмембранні конденсати, які іноді нагадують органели всередині клітин. LLPS останнім часом привертає значну увагу як механізм, що лежить в основі формування багатьох клітинних компартментів та регуляції біохімічних реакцій.

Найважливішим відкриттям стало те, що характерна структура «крапля-в-краплі» виникає в результаті конкурентного зв'язування між білками і значною мірою залежить від форми білка CaMKII, зокрема його високої валентності (кількості сайтів зв'язування) та короткої довжини лінкера (гнучкої ділянки, що з'єднує домени білка). Ці структурні особливості CaMKII призводять до низького поверхневого натягу та повільної дифузії всередині білкових конденсатів, що дозволяє їм залишатися стабільними протягом тривалого часу. Модель показала, що навіть незначні модифікації в цих параметрах CaMKII кардинально змінюють морфологію та стабільність утворених білкових структур, підкреслюючи критичну роль точної молекулярної архітектури.

Ця стабільність є ключовою, оскільки вона забезпечує тривалу активацію подальших сигнальних шляхів, необхідних для синаптичної пластичності — клітинної основи навчання та пам'яті. Синаптична пластичність, здатність синапсів змінювати свою силу з часом у відповідь на зміни нейронної активності, вважається фундаментальним механізмом, що лежить в основі формування спогадів. Стабільні білкові комплекси, сформовані за участю CaMKII, можуть слугувати молекулярною «пам'яттю» про попередню синаптичну активність, підтримуючи довготривалі зміни в синаптичній функції.

«Наші результати виявили нові взаємозв'язки між структурою та функцією CaMKII як одиниці синаптичної пам'яті. Це перше систематичне та механістичне дослідження, що вивчає дивергентну структуру багатофазних конденсатів, регульованих білками», — говорить доктор Пандей. Він підкреслює, що їхня модель дозволяє не просто відтворити спостережувані структури, а й зрозуміти фізичні принципи, що керують їхнім формуванням та функціонуванням на молекулярному рівні.

Ці відкриття можуть прокласти шлях до кращого розуміння можливих механізмів формування пам'яті у людини. Однак довгострокові наслідки цього дослідження виходять далеко за межі фундаментальної нейронауки. Дефекти у формуванні та функції синапсів пов'язують із численними неврологічними та психічними розладами, включаючи шизофренію, розлади аутистичного спектра, синдром Дауна та синдром Ретта. Багато з цих станів характеризуються порушеннями когнітивних функцій, зокрема пам'яті та навчання, що вказує на можливий зв'язок із дисфункцією синаптичних білкових комплексів.

«Загалом, обчислювальна модель, розроблена в цьому дослідженні, може слугувати важливою платформою для дослідження цих станів, потенційно призводячи до нових діагностичних інструментів та терапевтичних підходів», — пояснює доктор Пандей. Модель дозволяє систематично досліджувати, як генетичні мутації або вплив зовнішніх факторів, пов'язаних із цими захворюваннями, можуть впливати на формування та стабільність білкових конденсатів у синапсах. Це може допомогти ідентифікувати нові молекулярні мішені для розробки ліків, спрямованих на корекцію синаптичної дисфункції. Розуміння того, як тонкі зміни в структурі білків, таких як CaMKII, впливають на їхню здатність формувати функціональні комплекси, відкриває нові перспективи для розшифровки молекулярних основ пам'яті та її порушень.