การวิจัยของมหาวิทยาลัยคานาซาวะ: การถ่ายภาพ AFM ความเร็วสูงเผยให้เห็นว่าเอนไซม์ในสมองสร้างโครงสร้างแบบวงแหวนโดเดคาเมอริก

คานาซาวะ ประเทศญี่ปุ่น, 26 ธ.ค. 2568 /PRNewswire/ — นักวิทยาศาสตร์ที่สถาบันวิทยาศาสตร์ชีวิตระดับนาโน (WPI-NanoLSI) มหาวิทยาลัยคานาซาวะ ได้บันทึกภาพเรียลไทม์แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์สำคัญในสมองจัดระเบียบตัวเองอย่างไรเพื่อช่วยในการสร้างความจำ การศึกษาที่ตีพิมพ์ใน Nature Communications เปิดเผยว่าเอนไซม์ CaMKII สร้างโครงสร้างหน่วยย่อย α/β แบบผสมที่มีปฏิสัมพันธ์ช่วยทำให้สัญญาณที่เกี่ยวข้องกับการเรียนรู้ในเซลล์ประสาทมีเสถียรภาพ

สวิตช์โมเลกุลสำหรับการเรียนรู้

หนึ่งในเอนไซม์ที่สำคัญที่สุดของสมองสำหรับการเรียนรู้และความจำคือ Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) เอนไซม์นี้ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์โมเลกุล เปิดและปิดสัญญาณเพื่อช่วยให้เซลล์ประสาทเสริมสร้างการเชื่อมต่อ — กระบวนการที่เรียกว่าความยืดหยุ่นของไซแนปส์

เมื่อเราเรียนรู้ การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทที่เรียกว่าไซแนปส์จะแข็งแรงขึ้น CaMKII ขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงนี้โดยการจัดระเบียบใหม่และกระตุ้นโมเลกุลภายในไซแนปส์เหล่านี้

CaMKII ประกอบด้วยหน่วยย่อยโปรตีน 12 หน่วยที่จัดเรียงเป็นวงแหวน หน่วยย่อยสองประเภท — α (แอลฟา) และ β (เบตา) — ผสมกันในปริมาณที่แตกต่างกันในบริเวณต่างๆ ของสมอง นักวิทยาศาสตร์สงสัยมานานว่าสมดุลที่แม่นยำระหว่างสองรูปแบบนี้มีความสำคัญต่อการสร้างความจำ แต่จนถึงตอนนี้ไม่มีใครเห็นจริงๆ ว่าหน่วยย่อย α และ β รวมตัวและทำงานร่วมกันภายในโครงสร้างของเอนไซม์อย่างไร

การถ่ายภาพโมเลกุลที่เคลื่อนไหว

โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมความเร็วสูง (HS-AFM) ทีมมหาวิทยาลัยคานาซาวะที่นำโดย Mikihiro Shibata ได้บันทึกการเคลื่อนไหวแบบไดนามิกของ CaMKII ในระดับโมเลกุลเดียว ภาพแสดงให้เห็นว่าหน่วยย่อย α และ β ผสมกันภายในวงแหวน 12 หน่วยในอัตราส่วน 3:1 ซึ่งตรงกับองค์ประกอบตามธรรมชาติที่พบในสมองส่วนหน้าของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอย่างใกล้เคียง

นักวิจัยยังพบว่าหน่วยย่อย β มีแนวโน้มที่จะวางตัวติดกัน โดยมีความน่าจะเป็นในการอยู่ติดกัน 83% ทำให้เกิดกลุ่มเล็กๆ ภายในโครงสร้างวงแหวนของเอนไซม์

ความจำโมเลกุลที่เสถียร

เมื่อเอนไซม์ถูกกระตุ้นโดยแคลเซียมและคาล์โมดูลิน—สัญญาณที่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมของเซลล์ประสาท—หน่วยย่อย β ที่อยู่ติดกันเหล่านี้จะสร้าง 'คอมเพล็กซ์โดเมนไคเนส' ที่มีเสถียรภาพซึ่งคงอยู่เป็นระยะเวลานาน

โครงสร้างนี้ลดกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาโดยรวมของเอนไซม์ แต่รักษาพื้นผิวที่เปิดกว้างซึ่งสามารถมีปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนอื่นๆ ต่อไปได้ ทำให้การส่งสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับความจำคงอยู่แม้หลังจากสัญญาณแคลเซียมเริ่มต้นจางหายไป

"ภาพยนตร์ AFM ความเร็วสูงของเราแสดงให้เห็นว่า CaMKII จัดระเบียบตัวเองอย่างไรในระดับโมเลกุลเพื่อทำให้สัญญาณความจำมีเสถียรภาพ" Shibata กล่าว "หน่วยย่อย β ทำหน้าที่เหมือนสมอที่ยึดเอนไซม์ไว้ในโครงแบบที่ทำงานอยู่และสนับสนุนความจำ"

แนวทางการทดลอง

• นักวิจัยผสมผสานเทคนิคโครงสร้างและชีวเคมีขั้นสูงเพื่อเปิดเผยกลไก:
• AFM ความเร็วสูง: บันทึกการเคลื่อนไหวเรียลไทม์ของหน่วยย่อย CaMKII ในความละเอียดระดับนาโนเมตร
• การทดสอบชีวเคมี: วัดปริมาณการกระตุ้นเอนไซม์และการดีฟอสโฟรีเลชันภายใต้สภาวะต่างๆ
• การสร้างแบบจำลอง AlphaFold3: ทำนายรูปร่างและปฏิสัมพันธ์ของไดเมอร์หน่วยย่อย β ที่เกิดขึ้นระหว่างการกระตุ้น
• แนวทางแบบบูรณาการเหล่านี้เปิดเผยว่าหน่วยย่อย CaMKIIβ ทำให้สถานะที่ทำงานอยู่มีเสถียรภาพอย่างไร และช่วยรักษาความจำโครงสร้างที่เป็นพื้นฐานของการเสริมสร้างระยะยาว (LTP)—รากฐานระดับเซลล์ของการเรียนรู้

ความหมายและขั้นตอนต่อไป

การค้นพบให้ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับสถาปัตยกรรมโมเลกุลของความจำและเปิดโอกาสในการศึกษาว่าการกลายพันธุ์หรือความไม่สมดุลของหน่วยย่อยใน CaMKII มีส่วนทำให้เกิดความผิดปกติทางระบบประสาทและจิตเวชอย่างไร

ทีมวางแผนที่จะขยายการศึกษา HS-AFM เพื่อสังเกตว่า CaMKII มีปฏิสัมพันธ์กับเส้นใยแอคตินและตัวรับไซแนปส์เช่น NMDAR อย่างไร ซึ่งเชื่อมโยงกิจกรรมของเอนไซม์กับการเปลี่ยนแปลงในรูปร่างและการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาท

อภิธานศัพท์

• CaMKII: Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II เอนไซม์สำคัญในสมองที่เกี่ยวข้องกับการเรียนรู้และความจำ
• HS-AFM: กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมความเร็วสูง วิธีการถ่ายภาพที่มีประสิทธิภาพสำหรับการสังเกตการเคลื่อนไหวของโมเลกุลแบบเรียลไทม์
• หน่วยย่อย: โมเลกุลโปรตีนเดียวที่เป็นส่วนหนึ่งของคอมเพล็กซ์ที่ใหญ่กว่า
• ฟอสโฟรีเลชัน: การดัดแปลงทางเคมีที่เปิดหรือปิดเอนไซม์
• เฮเทอโรโอลิโกเมอร์: คอมเพล็กซ์โมเลกุลที่ประกอบด้วยหน่วยย่อยประเภทต่างกันตั้งแต่สองประเภทขึ้นไป

เอกสารอ้างอิง

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 

แหล่งทุน

งานนี้ได้รับการสนับสนุนโดย World Premier International Research Center Initiative (WPI), Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan, JSPS KAKENHI (JP24K21942, JP25H00972, JP22H04926 Advanced Bioimaging Support (ABiS) , JP23H0424, JP24H01298) และทุนจาก Mochida Memorial Foundation for Medical and Pharmaceutical Research, Uehara Memorial Foundation, Naito Foundation, JST CREST (JPMJCR1762 ให้แก่ N.K. และ H.F.), JST SPRING (JPMJSP2135) และ JST ERATO (JPMJER2403)

ติดต่อ

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

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

เข้าใจกลไกระดับนาโนของปรากฏการณ์ชีวิตโดยการสำรวจ "ขอบเขตนาโนที่ยังไม่ได้สำรวจ" เซลล์เป็นหน่วยพื้นฐานของชีวิต ที่ NanoLSI นักวิจัยพัฒนาเทคโนโลยีนาโนโพรบที่ช่วยให้สามารถถ่ายภาพ วิเคราะห์ และควบคุมชีวโมเลกุลเช่นโปรตีนและกรดนิวคลีอิกภายในเซลล์ที่มีชีวิตได้โดยตรง ด้วยการแสดงภาพกระบวนการเหล่านี้ในระดับนาโน สถาบันแสวงหาหลักการพื้นฐานของชีวิตและโรค

https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/ 

เกี่ยวกับ World Premier International Research Center Initiative (WPI)

โครงการ WPI เปิดตัวในปี 2007 โดย Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) ของญี่ปุ่นเพื่อส่งเสริมศูนย์วิจัยระดับโลกที่มีสภาพแวดล้อมการวิจัยที่โดดเด่น ศูนย์ WPI มีระดับอิสระสูง ทำให้เกิดการจัดการที่เป็นนวัตกรรมและความร่วมมือระดับโลก โครงการนี้ดำเนินการโดย Japan Society for the Promotion of Science (JSPS)

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

Main WPI program site: www.jsps.go.jp/english/e-toplevel

เกี่ยวกับมหาวิทยาลัยคานาซาวะ

ก่อตั้งในปี 1862 ในจังหวัดอิชิกาวะ มหาวิทยาลัยคานาซาวะเป็นหนึ่งในมหาวิทยาลัยแห่งชาติที่ครอบคลุมชั้นนำของญี่ปุ่นที่มีประวัติยาวนานกว่า 160 ปี ด้วยวิทยาเขตที่คากุมะและทาการะมาจิ–ซึรุมะ มหาวิทยาลัยยึดมั่นในหลักการชี้นำของตนในการเป็น "มหาวิทยาลัยวิจัยที่อุทิศให้กับการศึกษา พร้อมทั้งเปิดประตูสู่สังคมท้องถิ่นและโลก"

ได้รับการยอมรับในระดับนานาชาติสำหรับสถาบันวิจัย รวมถึง Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) และ Cancer Research Institute มหาวิทยาลัยคานาซาวะส่งเสริมการวิจัยสหสาขาวิชาและความร่วมมือระดับโลก ขับเคลื่อนความก้าวหน้าด้านสุขภาพ ความยั่งยืน และวัฒนธรรม

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

ดูเนื้อหาต้นฉบับ: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