Badania Uniwersytetu Kanazawa: Obrazowanie AFM o wysokiej prędkości ujawnia, jak enzym mózgowy tworzy dodekameryczną strukturę pierścieniową

KANAZAWA, Japonia, 26 grudnia 2025 /PRNewswire/ — Naukowcy z Instytutu Nanonauk o Życiu (WPI-NanoLSI) na Uniwersytecie Kanazawa uzyskali obrazy w czasie rzeczywistym pokazujące, jak kluczowy enzym mózgowy organizuje się, aby wspierać tworzenie pamięci. Ich badanie, opublikowane w Nature Communications, ujawnia, że enzym CaMKII tworzy struktury mieszanych podjednostek α/β, których interakcje stabilizują sygnały związane z uczeniem się w neuronach.

Przełącznik molekularny dla uczenia się

Jednym z najważniejszych enzymów mózgu dla uczenia się i pamięci jest kinaza białkowa II zależna od Ca²⁺/kalmoduliny (CaMKII). Enzym ten działa jak przełącznik molekularny, włączający i wyłączający sygnały, aby pomóc komórkom nerwowym wzmocnić ich połączenia — proces znany jako plastyczność synaptyczna.

Kiedy się uczymy, połączenia między neuronami, zwane synapsami, są wzmacniane. CaMKII napędza tę zmianę poprzez reorganizację i aktywację cząsteczek wewnątrz tych synaps.

CaMKII składa się z 12 podjednostek białkowych ułożonych w pierścień. Dwa typy podjednostek — α (alfa) i β (beta) — są mieszane w różnych ilościach w różnych regionach mózgu. Naukowcy od dawna podejrzewali, że precyzyjna równowaga między tymi dwiema formami jest ważna dla tworzenia pamięci, ale do tej pory nikt nie widział, jak podjednostki α i β łączą się i funkcjonują razem wewnątrz struktury enzymu.

Filmowanie cząsteczek w ruchu

Używając szybkiej mikroskopii sił atomowych (HS-AFM), zespół Uniwersytetu Kanazawa kierowany przez Mikihiro Shibatę sfilmował dynamiczne ruchy CaMKII na poziomie pojedynczej cząsteczki. Obrazy ujawniły, że podjednostki α i β mieszają się w 12-jednostkowym pierścieniu w stosunku 3:1, co ściśle odpowiada naturalnemu składowi występującemu w przednich mózgach ssaków.

Naukowcy odkryli również, że podjednostki β preferencyjnie umieszczały się obok siebie, z 83% prawdopodobieństwem sąsiedztwa, tworząc małe klastry w strukturze pierścieniowej enzymu.

Stabilna pamięć molekularna

Gdy enzym został aktywowany przez wapń i kalmodulinę—sygnały związane z aktywnością neuronalną—te sąsiadujące podjednostki β utworzyły stabilne „kompleksy domen kinazy", które utrzymywały się przez dłuższe okresy.

Ta struktura zmniejszyła ogólną aktywność katalityczną enzymu, ale utrzymała otwartą powierzchnię, która mogła nadal wchodzić w interakcje z innymi białkami, pozwalając na utrzymanie sygnalizacji związanej z pamięcią nawet po zaniknięciu początkowego sygnału wapniowego.

"Nasze szybkie filmy AFM pokazują, jak CaMKII reorganizuje się na poziomie molekularnym, aby stabilizować sygnały pamięciowe," mówi Shibata. "Podjednostki β działają jak kotwice, które utrzymują enzym w aktywnej konfiguracji wspierającej pamięć."

Podejście eksperymentalne

• Naukowcy połączyli zaawansowane techniki strukturalne i biochemiczne, aby odkryć mechanizm:
• Szybka AFM: Uchwycono ruchy podjednostek CaMKII w czasie rzeczywistym z rozdzielczością nanometrową.
• Testy biochemiczne: Skwantyfikowano aktywację enzymu i defosforylację w różnych warunkach.
• Modelowanie AlphaFold3: Przewidziano kształt i interakcje dimerów podjednostek β, które tworzą się podczas aktywacji. 
• Te zintegrowane podejścia ujawniły, jak podjednostki CaMKIIβ stabilizują stan aktywny i pomagają utrzymać pamięć strukturalną, która leży u podstaw długotrwałego wzmocnienia (LTP)—komórkowego fundamentu uczenia się.

Implikacje i kolejne kroki

Odkrycia dostarczają nowego wglądu w architekturę molekularną pamięci i otwierają możliwości badania, jak mutacje lub nierównowaga podjednostek w CaMKII przyczyniają się do zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych.

Zespół planuje rozszerzyć swoje badania HS-AFM, aby obserwować, jak CaMKII wchodzi w interakcje z filamentami aktyny i receptorami synaptycznymi, takimi jak NMDAR, które łączą aktywność enzymu ze zmianami w kształcie i łączności neuronalnej.

Słowniczek

• CaMKII: Kinaza białkowa II zależna od Ca²⁺/kalmoduliny, kluczowy enzym mózgowy zaangażowany w uczenie się i pamięć.
• HS-AFM: Szybka mikroskopia sił atomowych, potężna metoda obrazowania do obserwacji ruchu molekularnego w czasie rzeczywistym.
• Podjednostka: Pojedyncza cząsteczka białka, która stanowi część większego kompleksu.
• Fosforylacja: Modyfikacja chemiczna, która włącza lub wyłącza enzymy.
• Heterooligomer: Kompleks molekularny składający się z dwóch lub więcej różnych typów podjednostek.

Bibliografia

Keisuke Matsushima, Takashi Sumikama, Taisei Suzuki, Mizuho Ito, Yutaro Nagasawa, Ayumi Sumino, Holger Flechsig, Tomoki Ogoshi, Kenichi Umeda, Noriyuki Kodera, Hideji Murakoshi, and Mikihiro Shibata. "Structural dynamics of mixed-subunit CaMKIIα/β heterododecamers filmed by high-speed AFM."

Nature Communications 16, 10603 (2025).

DOI: 10.1038/s41467-025-66527-9

URL: https://www.nature.com/articles/s41467-025-66527-9 

Finansowanie

Praca została wsparta przez Inicjatywę Światowej Klasy Międzynarodowych Ośrodków Badawczych (WPI), Ministerstwo Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii (MEXT), Japonia, JSPS KAKENHI (JP24K21942, JP25H00972, JP22H04926 Advanced Bioimaging Support (ABiS), JP23H0424, JP24H01298) oraz granty z Fundacji Pamiątkowej Mochida dla Badań Medycznych i Farmaceutycznych, Fundacji Pamiątkowej Uehara, Fundacji Naito, JST CREST (JPMJCR1762 dla N.K. i H.F.), JST SPRING (JPMJSP2135) oraz JST ERATO (JPMJER2403).

Kontakt

Kimie Nishimura (Pani)
Planowanie Projektów i Współpraca, Biuro Administracyjne NanoLSI
Instytut Nanonauk o Życiu, Uniwersytet Kanazawa
Kakuma-machi, Kanazawa 920-1192, Japonia
Email: [e-mail] 

Instytut Nanonauk o Życiu (WPI-NanoLSI), Uniwersytet Kanazawa

Zrozumienie mechanizmów zjawisk życiowych w nanoskali poprzez eksplorację "niezbadanych nano-realmów". Komórki są podstawowymi jednostkami życia. W NanoLSI naukowcy rozwijają technologie nanosond, które umożliwiają bezpośrednie obrazowanie, analizę i manipulację biomolekułami, takimi jak białka i kwasy nukleinowe wewnątrz żywych komórek. Poprzez wizualizację tych procesów w nanoskali, instytut dąży do odkrycia fundamentalnych zasad życia i chorób.

https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/ 

O Inicjatywie Światowej Klasy Międzynarodowych Ośrodków Badawczych (WPI)

Program WPI został uruchomiony w 2007 roku przez japońskie Ministerstwo Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii (MEXT) w celu wspierania ośrodków badawczych światowej klasy z wybitnymi środowiskami badawczymi. Ośrodki WPI cieszą się wysokim stopniem autonomii, umożliwiając innowacyjne zarządzanie i globalną współpracę. Program jest administrowany przez Japońskie Towarzystwo Wspierania Nauki (JSPS).

Portal Wiadomości WPI: https://www.eurekalert.org/newsportal/WPI

Główna strona programu WPI: www.jsps.go.jp/english/e-toplevel

O Uniwersytecie Kanazawa

Założony w 1862 roku w prefekturze Ishikawa, Uniwersytet Kanazawa jest jednym z wiodących kompleksowych uniwersytetów narodowych w Japonii z historią sięgającą ponad 160 lat. Z kampusami w Kakuma i Takaramachi–Tsuruma, uniwersytet podtrzymuje swoją zasadę przewodnią bycia "uniwersytetem badawczym poświęconym edukacji, otwierającym swoje drzwi zarówno dla społeczności lokalnej, jak i globalnej".

Uznawany międzynarodowo za swoje instytuty badawcze, w tym Instytut Nanonauk o Życiu (WPI-NanoLSI) i Instytut Badań nad Rakiem, Uniwersytet Kanazawa promuje badania interdyscyplinarne i globalną współpracę, napędzając postęp w zdrowiu, zrównoważonym rozwoju i kulturze.

http://www.kanazawa-u.ac.jp/en/

Zobacz oryginalną treść:https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-high-speed-afm-imaging-reveals-how-brain-enzyme-forms-dodecameric-ring-structure-302649514.html

ŹRÓDŁO Uniwersytet Kanazawa