Менее чем через двадцать минут после прочтения этой статьи ваш мозг начнет хранить информацию, которую вы только что получили, в виде скоординированного всплеска активности нейронов. В основе этого процесса лежит явление, известное как дендритная трансляция, которое подразумевает увеличение производства локализованных белков в дендритах - колючих отростках, отходящих от тела нейрона и принимающих сигналы от других нейронов через синапсы. Этот процесс является ключевым для памяти, а его дисфункция связана с интеллектуальными нарушениями.
Это делает внутреннюю работу дендритной трансляции "святым Граалем для понимания формирования памяти", - говорит Роберт Б. Дарнелл из Университета Рокфеллера, чья команда опубликовала в Nature Neuroscience исследование, описывающее новую платформу, способную идентифицировать конкретные регуляторные механизмы, которые управляют дендритной трансляцией. Команда использовала метод, получивший название TurboID, для обнаружения целого набора ранее неизвестных факторов формирования памяти, раскрывая механизмы, которые лежат в основе того, как синтез белка в дендритах способствует обучению и памяти. Полученные результаты могут также иметь значение для лечения умственной отсталости, например синдрома ломкой Х-хромосомы.
"Технологические ограничения долгое время не позволяли провести полную инвентаризацию активности в синапсах, участвующих в формировании памяти", - говорит ведущий автор работы Эзги Хацисулейман, которая проводила исследование в качестве постдокторанта в лаборатории Дарнелла. "Наши новые методы позволяют достичь этого с чрезвычайно высоким разрешением, чтобы рассмотреть нейроны in vitro, которые в точности имитируют то, что мы видим в мозге".
"Работа Хацисулейман определяет совершенно новый биохимический путь, который соответствует, дополняет и значительно расширяет то, что мы уже знали о памяти и обучении", - добавляет Дарнелл, профессор Роберт и Харриет Хейлбрунн.
Формирование памяти происходит в гиппокампе - области мозга, настолько важной для обучения, что, когда в 1940-х годах хирурги удалили его у людей, страдающих эпилепсией, пациенты помнили свое детство, но потеряли способность формировать новые воспоминания. С тех пор стало ясно, что воспоминания формируются отчасти благодаря синтезу новых белков в дендритах гиппокампа.
Дарнелл, врач-ученый, на собственном опыте убедился в важности дендритной трансляции, работая с пациентами, чья иммунная система атаковала гиппокамп. "Я разговаривал с пациентом в течение 30 минут, выходил из комнаты, возвращался, а он как будто никогда не видел меня раньше. Именно тогда я начал изучать, почему нейроны гиппокампа имеют собственную систему регуляции метаболизма РНК - систему, которую не использует ни одна другая клетка в организме".
Оказалось, что эта система лежит в основе того, как наш мозг формирует воспоминания и усваивает новую информацию, и она стала центром внимания лаборатории Дарнелла. В 2003 году его команда разработала CLIP - метод, позволяющий исследовать белки, которые связывают РНК и влияют на нее. Но ограничения оставались. "Многие детали о том, как нейроны реагируют на стимулы в дендритах, все еще отсутствовали", - говорит Хацисулейман. "Нам нужна была эта информация, потому что она играет важную роль в определении того, как функционируют нейроны - и где часто происходят сбои при неврологических заболеваниях".
Чтобы получить более полное представление о роли изменений в дендритах в процессе обучения, Эзги Хацисулейман расширила платформу TurboID для совместной работы с РНК-секвенированием, CLIP, трансляцией и анализом белков. Платформа позволила команде отслеживать активность дендритов до, во время и через несколько минут после активации нейрона, фиксируя моменты, критические для синтеза белка в клетке, и, что более важно, этап, который считается ключевым для формирования памяти.
Анализ этих критических моментов выявил микроскопический переворот в дендрите. При активации местные рибосомы прыгают на мРНК - действие, которое имеет все биохимические признаки формирования памяти и которое, как предсказывают модели, заставляет дендрит производить не только новые белки, но и 1000 небольших белков, известных как микропептиды, с пока неизвестной функцией. Команда также идентифицировала РНК-связывающий белок, который помогает закрепить связь между рибосомами и мРНК, и продемонстрировала, что если этот белок отключить, то предложенные микропептиды не будут образовываться.
"Мы даже не подозревали, что такие микропептиды могут существовать. Это открывает новую область исследований, где мы можем задаться вопросом, что эти пептиды могут делать и как они могут участвовать в формировании памяти. Это настолько масштабное открытие, что существуют десятки, если не сотни направлений, по которым можно его продолжить", - говорит Дарнелл.
Среди множества наблюдений, которые ученые будут изучать в будущих исследованиях, одно выделялось: команда отметила, что определенный белок выделялся тем, что активно связывался с мРНК в дендритах. Этот белок, называемый FMRP, играет ключевую роль в развитии и функционировании мозга, а генетические мутации, негативно влияющие на FMRP, способствуют развитию синдрома хрупкой Х-хромосомы, одной из наиболее распространенных генетических причин умственной отсталости. "Наши выводы хорошо согласуются с молекулярной биологией FMRP, а также открывают путь к будущему пониманию того, что происходит при хрупкой Х-хромосоме", - говорит Дарнелл.
Помимо непосредственных выводов, сделанных в статье, дендритный-TurboID может также позволить исследователям изучить синтез белка в других областях мозга и применить полученные данные к различным заболеваниям. "Теперь мы можем приступить к изучению многих других участков", - говорит Хацисулейман.
"Когда вы разрабатываете новую методику, как это сделала Хацисулейман, вы входите в комнату, в которой еще никто не бывал. Включается свет, и от открытий просто захватывает дух", - добавляет Дарнелл.
Университет Рокфеллера, Пер.: PSYCHOL-OK.RU
