Новое исследование, проведенное учеными из Флоридского института нейробиологии Макса Планка (MPFI), пролило свет на неожиданный механизм, который позволяет кальций / кальмодулин-зависимой протеинкиназе, или CaMKII, декодировать и транслировать кальциевые сигналы в головном мозге. Используя передовые методы визуализации и новые биосенсоры, Рёхей Ясуда, Ph.D. и его команда раскрыли новое понимание активности CaMKII на уровне одиночных синапсов.
Во все более взаимосвязанном мире письменные и устные переводчики играют ключевую роль в обмене идеями и информацией. Они служат жизненно важной цели – точно передавать смысл с одного языка на другой. В настоящее время почти каждая современная отрасль испытывает острую потребность в переводчиках. Но знаете ли вы, что они тоже нужны вашему мозгу??
Клетки мозга активно передают информацию и общаются друг с другом на разных языках.”Нейроны общаются с помощью нейротрансмиттеров, молекул и электрических сигналов. Чтобы правильно понимать друг друга, клетки мозга нуждаются в навыках опытных переводчиков. Специализированные белки, владеющие уникальными языками мозга, точно расшифровывают поступающую информацию и точно передают ее от одного нейрона к другому.
Важный интерпретатор в мозге, называемый кальций / кальмодулин-зависимой протеинкиназой, или CaMKII, играет решающую роль в процессе обучения и памяти. При обучении новым навыкам или формированию воспоминаний динамические изменения происходят в местах связи между нейронами, называемых синапсами. Поскольку синапсы многократно активируются, кальциевые сигналы инициируют сложный каскад, который приводит к длительным изменениям прочности нейронных связей. Считается, что этот процесс, известный как синаптическая пластичность, лежит в основе обучения и памяти. Играя решающую роль в пластичности, CaMKII интерпретирует сигналы кальция и преобразует их в долгосрочные изменения, которые помогают кодировать память. Но точные механизмы этого процесса так и остались неуловимыми.
Недавно опубликованное в Nature Communications, новое исследование лаборатории Рёхей Ясуда, доктора философии.D., научный руководитель MPFI пролил свет на неожиданный механизм, который позволяет CaMKII декодировать и транслировать кальциевые сигналы в мозг. Используя передовые методы визуализации и новые биосенсоры, Ясуда и его команда раскрыли новое понимание активности CaMKII на уровне одиночного синапса.
Чтобы изучить роль CaMKII в синаптической пластичности, команда разработала новые сенсоры, способные различать две различные формы активности белка. Первый датчик, CaMKIIα-CaM, сообщает об активности CaMKII, которая зависит от его ассоциации с кальмодулином (CaM), белком, который опосредует связывание кальция с CaMKII. Второй датчик, Camuiα, сообщает об общей активации CaMKII, включая как CaM-зависимую, так и CaM-независимую автономную активность, продуцируемую, когда CaMKII подвергается аутофосфорилированию.
Используя двухфотонную микроскопию и снятие каркаса глутамата для моделирования пластичности в отдельных синапсах, команда использовала свои сенсоры новой конструкции для исследования различных форм активности CaMKII в нейронах. Ранее считалось, что CaMKII декодирует передачу сигналов кальция в основном за счет своей CaM-зависимой активности, но ученые MPFI обнаружили, что это может быть не так. Используя датчик CaMKIIα-CaM, они заметили быстрое, но небольшое увеличение CaM-зависимой активности, которая быстро выходит на плато, когда в синапсах вызываются импульсы кальция. По мере продолжения импульсов кальция дальнейшее увеличение активности CaMKIIα-CaM в нейроне не происходило. Напротив, датчик Camuiα продемонстрировал более устойчивую активность и ступенчатую активацию; где увеличение количества импульсов кальция прямо коррелировало с повышением активности CaMKII.
Интересно, что эти результаты показывают, что на синаптическом уровне активность CaMKII в основном определяется его автономной активацией и, в гораздо меньшей степени, взаимодействием с CaM. Кроме того, эти результаты показывают, что автономная активность CaMKII отвечает за реакцию и интерпретацию языка передачи сигналов кальция в процессе синаптической пластичности.
«CaMKII зарекомендовал себя как критически важный игрок в процессе синаптической пластичности, но из-за его сложного профиля активации было трудно создать рабочую модель его активности.- отмечает Ясуда: «Благодаря новым знаниям, полученным с помощью наших новых датчиков, мы теперь можем предложить модель, которая согласуется с нашими экспериментальными данными; расширение нашего понимания того, как молекулы способствуют памяти.”