Cercetare Universitatea Kanazawa: Imagistica AFM de mare vitează relevă modul în care enzima cerebrală formează structura inelară dodecamerică

KANAZAWA, Japonia, 26 decembrie 2025 /PRNewswire/ — Oamenii de știință de la Institutul Nano Life Science (WPI-NanoLSI), Universitatea Kanazawa, au capturat imagini în timp real care arată cum o enzimă cerebrală cheie se organizează pentru a ajuta la formarea memoriei. Studiul lor, publicat în Nature Communications, relevă că enzima CaMKII formează structuri mixte de subunități α/β ale căror interacțiuni stabilizează semnalele legate de învățare în neuroni.

Un comutator molecular pentru învățare

Una dintre cele mai importante enzime ale creierului pentru învățare și memorie este proteina kinază II dependentă de Ca²⁺/calmodulină (CaMKII). Această enzimă acționează ca un comutator molecular, activând și dezactivând semnale pentru a ajuta celulele nervoase să își întărească conexiunile — un proces cunoscut sub numele de plasticitate sinaptică.

Când învățăm, legăturile dintre neuroni, numite sinapse, sunt întărite. CaMKII determină această schimbare prin reorganizarea și activarea moleculelor din interiorul acestor sinapse.

CaMKII este compusă din 12 subunități proteice aranjate în inel. Două tipuri de subunități — α (alfa) și β (beta) — sunt amestecate în cantități diferite în diverse regiuni ale creierului. Oamenii de știință au bănuit de mult timp că echilibrul precis între aceste două forme este important pentru formarea memoriei, dar până acum nimeni nu văzuse efectiv cum se combină și funcționează împreună subunitățile α și β în interiorul structurii enzimei.

Filmarea moleculelor în mișcare

Utilizând microscopia de forță atomică de mare vitează (HS-AFM), echipa Universității Kanazawa condusă de Mikihiro Shibata a filmat mișcările dinamice ale CaMKII la nivel de moleculă unică. Imaginile au relevat că subunitățile α și β se amestecă în inelul de 12 unități într-un raport de 3:1, corespunzând îndeaproape compoziției naturale găsite în prosencefalul mamiferelor.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că subunitățile β se poziționau preferențial una lângă alta, cu o probabilitate de adiacență de 83%, formând grupuri mici în structura inelară a enzimei.

Memorie moleculară stabilă

Când enzima a fost activată de calciu și calmodulină — semnale asociate cu activitatea neuronală — aceste subunități β adiacente au format „complexe de domeniu kinază" stabile care au persistat pentru perioade extinse.

Această structură a redus activitatea catalitică generală a enzimei, dar a menținut o suprafață deschisă care putea continua să interacționeze cu alte proteine, permițând semnalizării legate de memorie să persiste chiar și după ce semnalul inițial de calciu s-a estompat.

„Filmele noastre AFM de mare vitează arată cum CaMKII se reorganizează la nivel molecular pentru a stabiliza semnalele de memorie", spune Shibata. „Subunitățile β acționează ca ancore care mențin enzima într-o configurație activă, care susține memoria."

Abordare experimentală

• Cercetătorii au combinat tehnici structurale și biochimice avansate pentru a descoperi mecanismul:
• AFM de mare vitează: A capturat mișcările în timp real ale subunităților CaMKII la rezoluție nanometrică.
• Analize biochimice: Au cuantificat activarea enzimei și defosforilarea în condiții diferite.
• Modelare AlphaFold3: A prezis forma și interacțiunile dimerilor de subunitate β care se formează în timpul activării. 
• Aceste abordări integrate au relevat cum subunitățile CaMKIIβ stabilizează starea activă și ajută la menținerea memoriei structurale care stă la baza potențării pe termen lung (LTP) — fundamentul celular al învățării.

Implicații și pașii următori

Descoperirile oferă o nouă perspectivă asupra arhitecturii moleculare a memoriei și deschid posibilități de a studia cum contribuie mutațiile sau dezechilibrele de subunități în CaMKII la tulburări neurologice și psihiatrice.

Echipa plănuiește să își extindă studiile HS-AFM pentru a observa cum interacționează CaMKII cu filamentele de actină și receptorii sinaptici precum NMDAR, care leagă activitatea enzimei de schimbările în forma și conectivitatea neuronală.

Glosar

• CaMKII: Proteina kinază II dependentă de Ca²⁺/calmodulină, o enzimă cerebrală cheie implicată în învățare și memorie.
• HS-AFM: Microscopia de forță atomică de mare vitează, o metodă puternică de imagistică pentru observarea mișcării moleculare în timp real.
• Subunitate: O singură moleculă de proteină care face parte dintr-un complex mai mare.
• Fosforilare: O modificare chimică care activează sau dezactivează enzimele.
• Heterooligomer: Un complex molecular format din două sau mai multe tipuri diferite de subunități.

Referință

Keisuke Matsushima, Takashi Sumikama, Taisei Suzuki, Mizuho Ito, Yutaro Nagasawa, Ayumi Sumino, Holger Flechsig, Tomoki Ogoshi, Kenichi Umeda, Noriyuki Kodera, Hideji Murakoshi și 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 

Finanțare

Această lucrare a fost susținută de Inițiativa World Premier International Research Center (WPI), Ministerul Educației, Culturii, Sportului, Științei și Tehnologiei (MEXT), Japonia, JSPS KAKENHI (JP24K21942, JP25H00972, JP22H04926 Advanced Bioimaging Support (ABiS), JP23H0424, JP24H01298) și granturi de la Fundația Memorial Mochida pentru Cercetare Medicală și Farmaceutică, Fundația Memorial Uehara, Fundația Naito, JST CREST (JPMJCR1762 către N.K. și H.F.), JST SPRING (JPMJSP2135) și JST ERATO (JPMJER2403).

Contact

Kimie Nishimura (Dna.)
Project Planning and Outreach, NanoLSI Administration Office
Nano Life Science Institute, Kanazawa University
Kakuma-machi, Kanazawa 920-1192, Japonia
Email: [e-mail] 

Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Universitatea Kanazawa

Înțelegerea mecanismelor la scară nanometrică ale fenomenelor vieții prin explorarea „tărâmurilor nano neexplorate". Celulele sunt unitățile de bază ale vieții. La NanoLSI, cercetătorii dezvoltă tehnologii nanoprobe care permit imaginarea directă, analiza și manipularea biomoleculelor precum proteinele și acizii nucleici în interiorul celulelor vii. Prin vizualizarea acestor procese la scară nanometrică, institutul caută să descopere principiile fundamentale ale vieții și bolii.

https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/ 

Despre Inițiativa World Premier International Research Center (WPI)

Programul WPI a fost lansat în 2007 de Ministerul Educației, Culturii, Sportului, Științei și Tehnologiei (MEXT) din Japonia pentru a promova centre de cercetare de clasă mondială cu medii de cercetare excepționale. Centrele WPI se bucură de un grad ridicat de autonomie, permițând management inovator și colaborare globală. Programul este administrat de Societatea Japoneză pentru Promovarea Științei (JSPS).

Portal de Știri WPI: https://www.eurekalert.org/newsportal/WPI

Site-ul principal al programului WPI: www.jsps.go.jp/english/e-toplevel

Despre Universitatea Kanazawa

Fondată în 1862 în Prefectura Ishikawa, Universitatea Kanazawa este una dintre universitățile naționale comprehensive de frunte ale Japoniei, cu o istorie de peste 160 de ani. Cu campusuri la Kakuma și Takaramachi–Tsuruma, universitatea respectă principiul său călăuzitor de a fi „o universitate de cercetare dedicată educației, în timp ce își deschide porțile către societatea locală și globală."

Recunoscută internațional pentru institutele sale de cercetare, inclusiv Institutul Nano Life Science (WPI-NanoLSI) și Institutul de Cercetare a Cancerului, Universitatea Kanazawa promovează cercetarea interdisciplinară și colaborarea globală, conducând progresul în sănătate, sustenabilitate și cultură.

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

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

SOURCE Kanazawa University