12.02.2013

Какой же вклад протеинкиназа M-дзета вносит в формирование памяти?

Механизмы формирования памяти — одна из самых загадочных, интересных и важных областей нейрофизиологии, и в последние годы в ней произошел серьезный прорыв. Обнаружилось, что белок под названием протеинкиназа M-дзета (Protein kinase M zeta, PKMξ) критически необходим на одном из этапов возникновения памяти. Об этой многообещающей молекуле, новых работах в данной области и возможных перспективах ее развития рассказал в своей лекции на Зимней школе Future Biotech директор Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Павел Милославович Балабан.

Если мы рассматриваем память как физиологическое явление, то особенное внимание нам нужно сосредоточить на синапсах — местах контакта между двумя нервными клетками. Можно представить себе такую модель, в которой запоминаемое событие каким-то образом «записывается» в определенном синапсе, облегчая прохождение через него сигнала. В результате связь между двумя нейронами становится более прочной, что и лежит в основе запоминания.

Передача сигнала через химический синапс — это, по сути, просто выброс в синаптическую щель пузырьков с нейромедиатором в ответ на потенциал действия, пришедший по мембране аксона (рис. 1). Медиатор «садится» на соответствующий рецептор постсинаптической мембраны, и в зависимости от того, что это за медиатор и какие рецепторы к нему находятся на мембране, в постсинаптическом нейроне происходят те или иные изменения, в том числе потенциал его мембраны уменьшается (это называется деполяризацией или возбудительным постсинаптическим потенциалом, ВПСП) или увеличивается (это гиперполяризация, или тормозный постсинаптический потенциал, ТПСП). Величина ПСП зависит от площади синапса, количества выброшенного медиатора, количества рецепторов к этому медиатору и так далее. ПСП возникают локально вокруг синапса и распространяются на некоторое расстояние от него, постепенно затухая. Они суммируются между собой в пространстве и времени: например, ВПСП и ТПСП «погасят» друг друга, а два ВПСП, наоборот, сольются в ВПСП большей амплитуды.

При этом, если в том участке нейрона, где начинается аксон (этот участок называется аксонным холмиком) мембранный потенциал деполяризуется больше некоей критической величины, то по аксону побежит нервный импульс, то есть уже этот нейрон передаст сигнал какому-то следующему нейрону.

Таким образом, приведет ли активация синапса к генерации импульса постсинаптическим нейроном, зависит от множества вещей: от того, насколько близок синапс к аксонному холмику; какие сигналы пришли на окрестные синапсы; сколько медиатора было выброшено; сколько и каких рецепторов к нему находилось на постсинаптическом нейроне; какая часть медиатора все же добралась до рецепторов, а какая была бесславно метаболизирована или чуть менее бесславно обратно проглочена пресинаптическим нейроном; какая метаболическая ситуация была в тот момент в пре- и постсинаптической клетке и так далее, и тому подобное.

Хорошо изучено, что в определенных условиях сила синапса (Synaptic strength), то есть то влияние, которое он оказывает на постсинаптическую клетку, может уменьшаться или увеличиваться. Это явление называется синаптической пластичностью. В основе синаптической пластичности лежит несколько различных механизмов, но для нас сейчас важнее всего тот, который имеет непосредственное отношение к памяти и называется долговременной потенциацией.

Долговременная потенциация — это увеличение силы синапса в случае его частого использования. Иными словами, каждое последующее возбуждение синапса вызывает более сильный ответ постсинаптического нейрона, чем предыдущее. То есть, очень упрощая, можно представить себе такую схему, объясняющую формирование памяти с помощью долговременной потенциации. В результате события Х через какой-то синапс прошел сигнал и вызвал ответ постсинаптического нейрона (а именно, изменение его мембранного потенциала). Когда событие повторилось, то прохождение сигнала через тот же синапс вызвало большее изменение потенциала. Значит, нейрон как будто «запомнил» этот синапс и увеличил его значимость, что привело к запоминанию события Х целым организмом.

Долговременная потенциация обеспечивается множеством метаболических каскадов, в которые вовлечено буквально астрономическое количество белков, и выловить в этом океане какую-то конкретную молекулу, которая непосредственно вовлечена в формирование памяти и без которой память «выключится», казалось нерешаемой задачей. Однако постепенно стали появляться доказательства того, что существуют некие белки памяти, которые начинают экспрессироваться в постсинаптической клетке в ответ на возбуждение синапса, подплывают к нему и усиливают его ответ на последующие импульсы, увеличивая количество и активность постсинаптических рецепторов. При этом данные белки должны экспрессироваться постоянно, иначе они быстро развалятся, долговременная потенциация прекратится, и никакая память формироваться не будет.

Тот факт, что процессы запоминания и воспоминания связаны с работой белков памяти, подтверждает недавно опубликованная работа (Kaycie K. Tayler et al, 2012. Reactivation of Neural Ensembles during the Retrieval of Recent and Remote Memory), в которой с помощью элегантных методик флуоресцентного мечения показано, что из тех корковых нейронов, которые возбуждаются в ответ на первое предъявление некоего стимула (запоминание), и из тех, которые возбуждаются в ответ на его последующие предъявления (воспоминание), большой процент совпадает. Иными словами, запоминание и воспоминание происходят в одном и том же месте, и, вероятно, с помощью одних и тех же молекул, то есть белков памяти.

Обнаружилось несколько белков, которые можно было отнести к белкам памяти, однако каждый из них оказывался связан не только с памятью, но и с чем-то еще, то есть обеспечивал память не прямо, а опосредованно. Поиски конкретной молекулы памяти стали казаться поисками черной кошки в темной комнате, которую невозможно найти, потому что ее там нет.

И вот в 2007 году произошел прорыв: обнаружилось, что если в постсинаптическом нейроне заблокировать с помощью блокатора под названием ZIP короткий белок протеинкиназу Мξ (PKMξ), то у подопытных животных нарушается только память и (судя по нынешним данным) ничего кроме памяти (Reut Shema, Todd Charlton Sacktor, Yadin Dudai, 2007. Rapid Erasure of Long-Term Memory Associations in the Cortex by an Inhibitor of PKMξ). Иными словами, именно этот белок обеспечивал один из этапов возникновения памяти.

«Молекула памяти» PKMξ стала бурно изучаться. Ее высокая консервативность (то есть то, что у разных видов животных аминокислотная последовательность этого белка почти не отличается) намекает на участие в какой-то важной и базовой функции. А постоянная экспрессия PKMξ обеспечивается следующим изящным механизмом: PKMξ «ловит» с помощью некоторых молекулярных каскадов свою собственную матричную РНК и таким образом синтезирует новую молекулу PKMξ, которая повторяет процесс. Таким образом появляются все новые и новые молекулы PKMξ. В результате PKMξ может сохраняться в синаптической области практически вечно (хотя на деле такое может не произойти, потому что в клетке может измениться метаболическая ситуация: например, кончиться белки, необходимые для поддержания уровня PKMξ).

Конечно, PKMξ не отвечает за всю память целиком, она необходима только на определенном этапе и появляется в области синапса примерно через два часа после прохождения через него сигнала. Это означает, что существуют еще другие, наверняка многочисленные и сложные, молекулы памяти. Но это ниточка, потянув за которую, можно распутать весь механизм памяти. Кроме того, PKMξ может оказаться удобной мишенью для лекарств, улучшающих память.

Однако не всё так просто. Некоторые данные прямо противоречат такой жестко определенной роли PKMξ в процессах памяти. В частности, в двух статьях, только что опубликованных в журнале Nature (Lenora J. Volk et al, 2013. PKM-ξ is not required for hippocampal synaptic plasticity, learning and memory; Anna M. Lee et al, 2013. Prkcz null mice show normal learning and memory), утверждается, что ни PKMξ, ни ее «родственница» PKСξ не имеют отношения к памяти, а все ранее исследованные эффекты связаны просто с тем, что использованный в прежних работах блокатор, ZIP, не обладает достаточной избирательностью. Иными словами, ZIP помимо PKMξ блокировал что-то еще, и именно это «что-то» и было связано с памятью. Однако если PKMξ не имеет отношения к памяти, то непонятно, что делать со многими другими данными, например? с теми, по которым искусственное увеличение уровня PKMξ приводит к улучшению запоминания у крыс (Reut Shema et el, 2011. Enhancement of Consolidated Long-Term Memory by Overexpression of Protein Kinase Mξ in the Neocortex). То есть вопрос с вовлеченностью PKMξ в формирование памяти остается открытым.

Еще одна молекула, которая, видимо, имеет отношение к процессам памяти (а точнее, забывания) — это нитроксид, NO. Физиологи терпеть не могут эту молекулу, потому что она настолько деятельна и вездесуща, что, блокируя ее, получаешь эффекты всегда; только вот с какой именно деятельностью NO эти эффекты связаны, как правило, остается загадкой. В то же время, ряд данных говорит о том, что нитрозилирование с помощью NO многих белков (и в том числе, видимо, PKMξ) приводит к стиранию памяти. Эксперименты, проведенные на виноградных улитках в лаборатории П. М. Балабана, показали, что если убрать из организма NO, то даже общая блокировка синтеза белков не приведет к исчезновению памяти (Балабан П. М., Коршунова Т. А., 2011. Сетевые, клеточные и молекулярные механизмы пластичности в простых нервных системах). Конечно, все полученные на NO результаты стоит принимать с изрядной долей скепсиса, однако определенную пользу извлечь из них всё же можно.

И наконец, есть другие возможные кандидаты в «молекулы памяти» — прионоподобные белки. Как и прионы, они имеют две конформации — нормальную и патологическую, причем стоит только одной молекуле прионоподобного белка перейти в патологическую конформацию, как все соседние молекулы такого белка сразу же тоже эту конформацию приобретают. Но в отличие от прионов, у прионоподобных белков патологическая конформация не приносит вреда клетке — просто, раз в нее перейдя, прионоподобные белки так навсегда в ней и остаются. Такой конформационный переход выглядит очень соблазнительно для нейрофизиолога, занимающегося молекулярными механизмами памяти: ведь «перещелкивание» прионоподобного белка в новую конформацию может как раз и обеспечивать запоминание, то есть навсегда метить запомнившие что-либо синапсы. Определенные подтверждения того, что прионоподобные белки действительно имеют отношение к памяти, уже получены (Amitabha Majumdar et al., 2012. Critical Role of Amyloid-like Oligomers of Drosophila Orb2 in the Persistence of Memory). При этом интересно, что некоторые молекулярные каскады таких прионоподобных белков, судя по всему, связаны с деятельностью PKMξ, то есть PKMξ, прионоподобные белки и NO могут оказаться звеньями одной цепи, обеспечивающей память.

Одним словом, проблема белков памяти еще таит в себе множество тайн, и, может быть, последующие исследования позволят разгадать хотя бы некоторые из них.

Вера Башмакова

Источники:

1. elementy.ru