Новое исследование в Университете Райса предлагает нити актина, которые управляют формой клеток нейрона, может также быть ключ к молекулярному оборудованию, которое формирует и хранит долгосрочные воспоминания.Рисовая лаборатория теоретического биологического физика Питера Уолайнса сообщила на Слушаниях Национальной академии наук о теории о том, как долгосрочные воспоминания сделаны; теория основана на моделированиях, которые анализируют энергетические пейзажи включенных белков.Wolynes и его коллеги – пионеры в разработке энергетической пейзажной теории для белков, которая позволяет им построить компьютерные модели белков, чтобы предсказать, как они свернутся.
Эти моделирования молекулярной динамики используют принцип минимального разочарования, которым белки находят свои самые стабильные свернутые формы.Для долгосрочных воспоминаний стабильность желательна.
Wolynes и его соавторы, аспирант Райса Мингкэн Чен и постдокторский исследователь Вейхуа Чжен, решили, что путь к кодированию воспоминаний может заключаться в том, как нити актина – часть «мышц» цитоскелета в каждой эукариотической клетке – тянет на и стабилизирует разрешимые цитоплазматические связывающие белки элемента полиаденилирования (CPEB) в дольше, нерастворимые подобные приону волокна.Прионы – белки, которые, когда они misfold, как думают, становятся саморазмножающимися и вызывают инфекционные болезни как коровье бешенство, спастический псевдосклероз и другие расстройства. Но их самое существование и переходы, которые, как известно, произошли в синапсах, предлагают, чтобы у правильно свернутых прионов была биологическая функция, написали исследователи.
Эти переходы были центром своего исследования.Белки CPEB, когда сделано в клетках, сначала связывают некоторых за один раз в олигомерах, которые являются намотанной альфой helices.
Внутренние энергетические пейзажи этих олигомеров позволяют механическим силам, предоставленным актином вызывать переход в более длинные бета берега, которые намного более стабильны. Эти теперь стабильные волокна, как думают, соединяют и кодируют воспоминания в синаптических регионах нейронов.Уолайнс сказал, что Фрэнсис Крик, co-исследователь структуры ДНК, был на что-то 20 лет назад, когда он написал о памяти и молекулярном товарообороте. Крик ломал голову над тем, что воспоминания имеют тенденцию длиться намного дольше, чем белки, как правило, делают в живых клетках. «Крик немного ожидает в одном предложении, которое, возможно, что мы имеем, форма белка, который это соединяет где-нибудь», сказал он. «На основании того, чтобы быть совокупностью это не в состоянии переместиться.
Таким образом это было бы в состоянии отметить один конкретный синапс.«Очевидно очень трудно изучить молекулярное основание памяти, потому что память включает довольно сложную деятельность», сказал Уолайнс. «Вы не можете изучить его у бактерии. Вы должны изучить его в своего рода организме, который может учиться.
«В то же время ясно, что формирование воспоминаний включает некоторую очень старшую нервную обработку и другие вещи на подклеточном уровне, чтобы сохранить большой объем информации, который Вы запоминаете. Есть много шагов в памяти, которые действительно не поняты вообще».
Он сказал, что предыдущее исследование показывает, что воспоминания делают изменения в синапсе, тысячах регионов в каждом нейроне ответственными за отправку электрических и химических сигналов к другим нейронам. «Краткосрочные воспоминания, которые длятся меньше чем час или так, кажется, сделаны через электрическую и прямую биохимическую схему. Формирование этих воспоминаний, кажется, не требует создающего нового белка», сказал Уолайнс.
Исследователи, которые провели эксперименты с морскими слизняками, отравленными, чтобы препятствовать тому, чтобы они синтезировали белки, казалось, подтвердили, что, сказал он. «Они нашли, что эти улитки смогли запомнить вещи в течение коротких промежутков времени, но не в течение периодов часов, когда синтез белка был остановлен».Чен, который привел исследование Райса, знал от литературы, что у актина есть способность связать олигомерный CPEB. Этот факт, наряду с компьютерным моделированием, предполагает, что механическая сила, обеспеченная актином, может реструктурировать CPEB в более длинное волокно с новыми водородными связями между катушками.
Уолайнс сказал, что реструктуризация не только вызывает CPEB к более низкой энергии, подобному приону государству, но также и позволяет приону связывать последовательность РНК, которая иначе препятствует тому, чтобы больше актина было синтезировано. Получающаяся обратная связь далее стабилизирует память.
«Мы все еще не понимаем начало процесса, как Вы идете от краткосрочного до долгосрочной памяти», сказал он. «Но мы можем теперь видеть, что актин начинает формироваться в конкретном месте в ответ на электрические сигналы. Актин тогда берет любые олигомеры CPEB, которые являются вокруг, и активирует их, который делает больше актина и вызывает формирование приона саморепликации CPEB.
Те прионные совокупности, пока это не останавливается, изменяя структуру синапса способом, который должен продлиться в течение очень долгого промежутка времени, возможно десятилетий».Уолайнс сказал, что поместил Чена на работу с немногими ожиданиями. «Я даю начинающим студентам проект, я думаю, будет преподавать им инструменты, которые мы используем, чтобы посмотреть на динамику белка», сказал он. «Это обычно – несколько далекий-outish проект, и если они не доберутся нигде, мне не будет грустно.«Таким образом, я сказал, ‘Почему мы не смотрим на этот белок, который сказали (Эрик) Кандел и (Сьюзен) Линкуист, был вовлечен в память, этот белок CPEB’».Уолайнс сказал, что многие нейробиологи развили ту новаторскую работу с морскими слизняками. «Но мы добавляем новый элемент способностью посмотреть на структуры этих белков и предсказать термодинамику процесса», сказал он. «Мы теперь видим, как сила цитоскелета может закончить обратную связь, которая позволяет воспоминаниям быть сохраненными».
Уолайнс считает новое исследование береговым плацдармом, чтобы начать других, чтобы определить весь процесс того, как воспоминания формируются, а также последствия для болезней как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, которые включают скопление белка.