Недавні дослідження надають докази, що нервова система активно сприяє утворенню амілоїдних структур для стабілізації довготривалої пам'яті. Хоча амілоїди часто асоціюються з нейродегенеративними захворюваннями, у цьому дослідженні виявили специфічний білок-шаперон, який стимулює утворення корисних амілоїдів у відповідь на сенсорні відчуття. Ці результати, що пропонують новий погляд на те, як мозок кодує інформацію, були опубліковані в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
Вчені десятиліттями вивчають біологічні основи пам'яті. Переважна модель передбачає, що довготривала пам'ять потребує фізичної зміни синапсів – зв'язків між нейронами. Цей процес включає зміни у білках, розташованих у цих синапсах.
Один конкретний білок, відомий як Orb2 у плодових мушок, відіграє центральну роль цьому процесі. Orb2 створює стабільний слід пам'яті, самоорганізовуючись в амілоїд - щільну стопку білків, яка є міцною і відтворюваною.
Більшість досліджень амілоїдів зосереджено на їх токсичній ролі у таких захворюваннях, як хвороба Альцгеймера. У цих випадках білки неправильно згортаються та агрегуються, ушкоджуючи клітини. Однак, як виглядає, мозок використовує аналогічний механізм агрегації з корисною метою. Залишалося питання, як мозок забезпечує утворення амілоїдів Orb2 лише тоді, коли необхідно зберегти пам'ять, а не у випадкові моменти часу.
Дослідницька група під керівництвом Кайла Паттона вивчала регуляторні системи, які можуть контролювати цей точний час. Вони припустили, що за це регулювання можуть відповідати молекулярні шаперони — білки, які допомагають іншим білкам у згортанні чи збиранні.
Для ідентифікації конкретних залучених молекул дослідники зосередилися на сімействі білків з J-доменом (JDP). Це різноманітна група шаперонів, відомих своєю здатністю регулювати стан білків. Як модельний організм команда використовувала Drosophila melanogaster, звичайну плодову мушку. Вони вивчили 46 різних JDP, виявлених у геномі мухи. Команда звузила свій пошук до шаперонів, що експресуються в грибоподібному тілі, структурі мозку комах, яка необхідна для навчання та пам'яті.
Дослідники провели генетичний скринінг, щоб визначити, які з цих шаперонів впливають на збереження пам'яті. Вони використовували експеримент із класичного обумовлення, відомий як парадигма асоціативної апетитної пам'яті. У цій процедурі дослідники морили голодом мух протягом короткого періоду, щоб мотивувати їх. Потім вони піддавали мух впливу двох різних запахів. Один запах був пов'язаний із цукровою винагородою, а інший – ні. Після навчання мухам надавався вибір між двома запахами.
Більшість мух дикого типу запам'ятовують, який запах передбачає наявність їжі протягом певного періоду часу. Дослідники генетично модифікували групи мух, щоб досягти надекспресії певних білків JDP у нейронах грибоподібного тіла. Вони виявили, що підвищення одного конкретного шаперона, названого CG10375, значно поліпшило здатність мух до формування довготривалої пам'яті. Дослідники назвали цей білок «Funes», надихнувшись вигаданим персонажем, нездатним забувати.
Дослідження показало, що мухи з підвищеним рівнем Funes запам'ятовували асоціацію між запахом та цукром набагато довше, ніж контрольні мухи. Цей ефект був специфічним для довготривалої пам'яті. Короткочасна пам'ять, яка працює за допомогою інших молекулярних механізмів, залишилася незмінною. Це говорить про те, що Funes грає особливу роль у фазі консолідації при зберіганні пам'яті.
Щоб переконатися, що Funes необхідний для пам'яті, а не просто підсилювач при штучному додаванні, команда провела зворотний експеримент. Вони використовували генетичні інструменти для зниження природного рівня Funes у мозку мух або для створення мутацій у гені Funes.
Мухи зі зниженою активністю Funes були здатні спочатку навчатися виконання завдання. Проте за 24 години вони не змогли зберегти пам'ять. Це свідчить про те, що Funes є важливим компонентом природного механізму, який необхідний для стабілізації пам'яті.
Далі дослідники вивчили, як Funes взаємодіє із сенсорною інформацією. Формування пам'яті зазвичай залежить від інтенсивності переживання. Наприклад, сильна солодка винагорода створює сильнішу пам'ять, ніж слабка. Команда дослідників протестувала мух із підвищеною експресією Funes, використовуючи нижчі концентрації цукру та слабші запахи.
Примітно, що мухи з надлишком Funes формували стійкі спогади навіть за неоптимальних сенсорних сигналів. Вони ефективно навчалися, використовуючи набагато менше цукру, ніж потрібно звичайним мухам. Це відкриття передбачає, що Funes допомагає сигналізувати про поживну цінність або «значущість» переживання. Він діє як сенсибілізаційний агент, дозволяючи мозку кодувати спогади про події, які інакше могли б бути надто слабкими, щоб активувати довготривале зберігання інформації.
Після проведення поведінкових тестів дослідники досліджували залучений молекулярний механізм. Вони припустили, що Funes діє, впливаючи на Orb2, білок пам'яті, відомий своєю здатністю утворювати амілоїди. Вони провели біохімічні експерименти, щоб з'ясувати, чи відбувається фізична взаємодія між двома білками.
Результати показали, що Funes зв'язується безпосередньо з Orb2. Зокрема, він зв'язується з Orb2, коли той знаходиться в олігомерному стані, який є проміжною стадією між однією молекулою та повноцінним амілоїдним волокном.
Потім команда відтворила реакцію в пробірці безпосереднього спостереження. Вони очистили білки Funes та Orb2 і змішали їх у контрольованому середовищі. При змішуванні Funes прискорював перехід Orb2 із цих проміжних кластерів у довгі, стабільні амілоїдні філаменти. Дослідники підтвердили наявність цих структур, використовуючи амілоїд-зв'язуючий барвник тіофлавін Т, який флуоресціює при зв'язуванні з амілоїдними волокнами.
Щоб переконатися, що створені в лабораторії волокна ідентичні тим, які виявляються в живому мозку, команда використовувала кріогенну електронну мікроскопію (кріо-ЕМ). Ця передова методика візуалізації дозволяє вченим бачити атомну структуру білків.
Зображення показали, що амілоїди Orb2, створені за допомогою білка Funes, структурно ідентичні ендогенним амілоїдам Orb2, які витягли з голів мух. Вони мали ту ж «крос-бета» архітектуру, яка характеризує функціональні амілоїди.
Дослідження також продемонструвало, що J-домен білка Funes необхідний для цієї активності. Цей домен є специфічною ділянкою білкової послідовності, що визначає сімейство JDP.
Дослідники створили мутантну версію білка Funes з невеликою зміною у J-домені. Цей мутант зміг зв'язуватися з Orb2, але зміг змусити його сформувати кінцеву амілоїдну структуру. Коли цю мутантну версію експресували в мухах, вона не змогла поліпшити пам'ять, підтверджуючи, що фізичне формування амілоїду є ключем до ефекту посилення пам'яті.
Крім структурного формування, дослідники підтвердили функціональну активність цих амілоїдів, індукованих Funes. У головному мозку амілоїди Orb2 діють, зв'язуючись зі специфічними матричними РНК (мРНК) та регулюючи їхню трансляцію в нові білки.
Дослідники використали репортерний аналіз для вимірювання цієї активності. Вони виявили, що амілоїди, що утворюються за участю Funes, успішно стимулюють трансляцію цільових мРНК, імітуючи природний біологічний процес, що спостерігається під час консолідації пам'яті.
Одним із потенційних обмежень цього дослідження є його зосередженість на дрозофілах. Хоча фундаментальний молекулярний механізм пам'яті значною мірою консервативний у різних видів, ще належить з'ясувати, чи виконує прямий гомолог Funes таку саму функцію у ссавців.
Геном людини містить багато білків з J-доменом, і визначення того, який з них функціонально відповідає Funes, стане необхідним наступним кроком. Дослідження передбачає зв'язок зі станом здоров'я людини, зазначаючи, що деякі родинні шаперони генетично пов'язані з шизофренією - станом, котрий характеризується когнітивними порушеннями.
У майбутніх дослідженнях, ймовірно, буде вивчено, як Funes отримує сигнал до дії. Поточне дослідження показує, що Funes реагує на сигнали, пов'язані з харчуванням, але точний сигнальний шлях, що активує Funes, ще потрібно визначити. Крім того, вченим необхідно буде визначити, чи Funes регулює інші білки крім Orb2. Можливо, цей шаперон управляє набором білків, необхідних для синаптичної пластичності.
Ця робота кидає виклик традиційній думці про те, що формування амілоїду — це лише патологічна випадковість. Вона надає докази того, що мозок еволюціонував, створивши складний механізм використання цих стабільних структур для зберігання інформації. Ідентифікувавши Funes, дослідники точно визначили перемикач управління цим процесом, пропонуючи потенційну мету розуміння того, як спогади зберігаються протягом усього життя.
