Proteinkinase M-zeta "lukket"? • Svetlana Yastrebova • Videnskabsnyheder om "Elementer" • Neurobiologi, Molekylærbiologi

Proteinkinase M-zeta “lukket”?

Fig. 1. Tilføjelse af en ZIP til det miljø, hvor de hippocampale cellekulturer er placeret, øger den sidstnævnte el-aktivitet. Stiplede linje viser tidspunktet for tilsætningen af ​​stoffet. Jo højere koncentrationen af ​​ZIP (μM – mikromoler pr. Liter), desto stærkere er effekten (ΔF / F, fluorescensintensiteten af ​​farvestoffer reagerer på ændringer i calciumkoncentration i cellen). Figur fra den diskuterede artikel iJournal of Neuroscience

I midten af ​​2000'erne og i begyndelsen af ​​2010'erne undersøgte neurovidenskaberne over hele verden aktivt et usædvanligt enzym, proteinkinase M-zeta (eller mu-zeta, PKMζ). Protein lovede at være en "memory pille", og dens ZIP-hæmmer (zeta-hæmmende peptid) – et middel til at slippe af med minder. I løbet af de sidste par år er arbejdsstrømmen på PKMζ svækket, og forfatterne af artikler skriver i stigende grad, at forbindelsen mellem "hukommelsesmolekylet" og dets inhibitorer med hukommelsesprocesser er tvivlsomt. Her og i det seneste arbejde i Journal of Neuroscience det siges, at inhibitoren af ​​proteinkinase M-zeta, ZIP, forårsager den hurtige død af hippocampale neuroner, der vokser i cellekultur. Og det er trods det faktum, at løveandelen af ​​tidligere data viste, at ZIP i neuroner kun påvirker driften af ​​PKM PK og intet andet.

Langt de fleste forskere erkender sammenhængen mellem adfærd og hjerne.Få professionelle forskere tvivler på, at tanker, følelser og minder er produkt af nerveceller. (Der er selvfølgelig nogle temmelig velkendte tilfælde, men du kan ikke kalde dem neurobiologer i ordets fulde forstand.) Hvis ja, så kan disse meget tanker, følelser, hukommelse osv. Studeres på niveau med individuelle neuroner eller deres små grupper. Det, generelt, og har været gjort i flere årtier.

En af de mest interessante funktioner hos mennesker og dyr er evnen til at huske fakta og lære forskellige færdigheder. For at gemme oplysninger skal den skrives et sted, ligesom data på en harddisk på en computer. Vi har brug for nogle holdbare molekyler, der vil holde de lagrede i mange år. Forskere har foreslået nukleinsyrer og forskellige proteiner som bærere af information på forskellige tidspunkter. Nu forekommer det lidt sandsynligt, at hukommelse hjælper med at opbevare prionlignende proteiner (se: Langtidsminder opretholdes af prionlignende proteiner) – proteiner, som i det hele taget kan ændre deres konformation under den eksterne påvirkning, efterfulgt af hvordan kæden ændres nærliggende proteiner med den samme aminosyresekvens. Et af disse proteiner er CPEB3, et cytoplasmatisk polyadenyleringselementbindende protein (J.S.Stephan et al., 2015. CPEB3 Protein er et funktionelt prion, der interagerer med Actin Cytoskeleton). I modsætning til prioner, der forårsager fatale sygdomme som kuru eller gale ko sygdom, dræber prionlignende proteiner ikke deres luftfartsselskaber.

For at produktionen af ​​prionlignende (og mange andre) proteiner i neuronen skal starte, og informationen registreres i den langsigtede hukommelse, skal cellen være "rystet op". Fra tidspunktet til tiden kommer signaler fra naboer til synaps af enhver neuron. For at aktivere proteinsyntese er det nødvendigt, at hyppigheden af ​​udseendet af signaler udefra for en bestemt synaps stiger signifikant og forbliver på et højt niveau i nogen tid. Som følge heraf begynder cellen selv, som modtager signaler, at producere stærkere impulser – stimulerende postsynaptiske potentialer (EPSP). Her taler vi ikke om alle neuroner, men kun om dem der producerer glutamat – en excitatorisk neurotransmitter (men generelt, det postsynaptiske potentiale behøver ikke at være excitatorisk, det kan være hæmmende, TPSP). Hvis kraften i EPSP'en øges med mindst flere titusinder, siges det om langsigtet potensiering (dette er ikke den eneste cellulære mekanisme for hukommelse og læring, men en af ​​de mest anvendte og velundersøgte).

Langsigtet potentiering, som mange andre processer, skal først udvikles og vedligeholdes. Den første er lettere at lave end den anden. Stoffer, der giver nøjagtigt støtte langsigtet potentialering er relativt lidt kendt. En af dem er proteinkinase M-zeta (PKMζ). Ligesom andre proteinkinaser tilføjer den phosphatgruppen -PO4 til forskellige egern. PKMζ, i virkeligheden er et stykke af et andet enzym – atypisk proteinkinase C-zeta (PKSζ) – blottet autoinhibitorisk domæne (site molekyle i stand til at regulere dets aktivitet). En gang i aktiv form forbliver PKMζ i den. Men det mest interessante er, at det kun dannes i det nervøse væv (A. Ivan Hernandez et al., 2003. Protein Kinase Case Catalytic Domain). Hvad er ikke et substrat til hukommelse? "Lives" meget, bevarer sine egenskaber i lang tid.

Alligevel kan PKMζ-aktivitet tavles. Der er et kort molekyle af tretten aminosyrer – ZIP (zeta-hæmmende peptid). Det hæmmer aktiviteten af ​​M-zeta proteinkinase som et enzym. Et tilsvarende lignende peptid, hvori de samme aminosyrer reverseres (også kaldet krypteret ZIP eller scrZIP), påvirker ikke PKMζ i samme koncentration.

Indledende data viste, at ZIP interagerer kun med denne proteinkinase og påvirker ikke signifikant selv de mest lignende molekyler, såsom proteinkinase C eller PKC (Todd C. Sacktor, 2011. Hvordan opretholder PKMζ langvarig hukommelse?). I lang tid havde velkendte inhibitorer af proteinkinaser C (og de "mest almindelige" og atypiske isoformer) ikke sådan selektivitet, så ZIP og imod dem og i sig selv lignede et ideelt værktøj til at annullere læring og memorisering på mobilniveau. Dens virkning på nervesystemet blev testet på individuelle neuroner, og på cellekulturer og på hjerneskiver og på levende organismer. Mus (X. -Y. Li et al., 2010. Levende neuropatisk smerte Overfølsomhed ved inhibering af PKMζ i den fremre Cingulat Cortex) og rotter (S. Ángeles-Durán et al., 2012) deltog også i forsøgene. metaplastisk ændring in vivo til cortex langvarig potentiering in vivo og aplizia marine mollusker (D. Cai et al., 2011. Proteinkinase M opretholder langvarig sensibilisering og langsigtet facilitering i Aplysia), og jordbaserede bløddyr er druesneller (P. M. Balaban et al., 2015. Homolog af proteinkinase) Helix) og endda kakerlakker (Z. Deng et al., 2015. Zeta-hæmmende peptid (ZIP) æra af langvarige minder i en kakerlak). Forskerne brugte en række læringsmodeller, og indtil 2013 gik alt godt. Aktiv PKMζ betød stabile memorisering, og "off" signalerede, at intet nyt var blevet sat i hovedet og ind i dyrets specifikke neuroner.

Ny 2013 bragte dårlige nyheder til forskere i hukommelsen. I første udgave af januar natur så kom to artikler på en gang og overbevisende bevisede de mus uden PKMζ-genet (faktisk uden PKCζ-genet, fordi det informative RNA, der er nødvendigt for syntesen af ​​PKM, produceres ved den alternative transkription af PKCζ-genet) i neuroner i bestemte hjerneområder lever godt og lærer ikke værre end almindelige slægtninge (se AM Lee et al. Prkcz nullmus viser normal læring og hukommelse og L.J. Volk et al. PKM-ζ er ikke nødvendig for hippocampal synaptisk plasticitet, læring og hukommelse). Blandt andet viste det sig samtidig, at ZIP også overtræder hukommelsen af ​​de dyr, der ikke kan have PKMζ pr. Definition. Allerede dette burde have antydet, at ZIP ikke fungerer som selektivt som det syntes før.

Ikke desto mindre besluttede pioneren for proteinkinase M-zeta i nervesystemet Todd C. Sacktor at forsvare sit afkom og udgav en række papirer, hvor ZIP virker som den første og eneste PKMζ-hæmmer (se for eksempel Y. Yao et al., 2013. Matchende biokemiske og funktionelle virkninger bekræfter ZIP som en potent konkurrerende inhibitor af PKMζ i neuroner). Og selv om det kan forstås, er det stadig værd at se på fakta.

I sommeren 2015 offentliggjorde amerikanske forskere artiklen Protein Kinase C (PKC) ζ Pseudosubstrate Inhibitor Peptide Promiscuously Bind PKC Targeting og Translocation, som viser: ZIP interagerer for det første med alle sorter af protein kinase C og For det andet forstyrrer dette peptid den normale fordeling af PKC- og PKMζ-molekyler i cellen. Artiklen blev offentliggjort i en ikke meget berømt journal, meget mindre autoritativ end natur. Og alligevel.

Herefter frigav israelske neuroscientists resultaterne af deres ZIP-undersøgelser i september 2015 Journal of Neurosciencemere anerkendt og specialiseret. Deres artikel, Peptides Zeta Inhibitory, en kandidatinhibitor af protein, HiPocampal Neurons, er dedikeret til at teste, hvordan PKMζ-hæmmeren påvirker hippocampale neuroner ikke kun i dyret, men i cellerne opnået fra to og tre uger gamle mænd rotter. For renheden af ​​eksperimentet blev ZIP købt fra så mange som tre forskellige producenter. Derudover anvendes og "inaktiv" scrZIP. Det første eller andet stof blev tilsat til kulturer af neuroner i samme koncentrationer, som blev almindeligt anvendt i tidligere undersøgelser af ZIP-aktivitet (nemlig fra 1 til 10 mikromol pr. Liter). Aktiviteten af ​​neuroner blev overvåget ved hjælp af elektroder såvel som farvestoffer, som ændrer deres farve afhængigt af koncentrationen af ​​calcium i cellen (figur 1).

Det viste sig, at mindre end 5 minutter efter at have tilføjet ZIP-spontan aktivitet af neuroner øges. Det vil sige, at der ikke kommer nogen specielle signaler til cellerne, de lærer ikke noget, men alligevel begynder de at sende nerveimpulser oftere. Jo højere koncentrationen af ​​ZIP (og scrZIP også), jo mere aktiv blev neuronerne.Samtidig øgede de indholdet af frie calciumioner – et princip er normalt for celler, hvis synapser gennemgår en langsigtet potentiering, men en begivenhed, der ikke er typisk for celler, der ikke udsættes for nogen særlig påvirkning.

Det var nødvendigt at finde ud af, hvorfor niveauet af calcium i neuroner steg. Ved langvarig forstærkning forekommer dette normalt, fordi calciumkanalerne på cellemembranen aktiveres, og det bliver lettere for de tilsvarende ioner at passere dem ind i cytoplasmaet. Men der kunne ikke være nogen langsigtet potentiering. Hvad er der?

Forskerne blokerede calciumkanaler i neuronerne (mens calcium ikke kunne komme ind i cellerne udenfor) og igen tilføjede ZIP (eller scrZIP) til dyrkningsmediet. Farvestofferne viste igen en stigning i calciumkoncentrationen. Dette er ikke en fantasi, men en indikation af, at calcium er kommet ind i cytoplasmaet fra intracellulære kilder. I små mængder er det ikke skræmmende, men det er hensigtsmæssigt at minde om, at den rigelige produktion af calcium fra intracellulære depot forekommer under celledød. Det blev mistanke om, at i tilfælde af hippocampale ZIP- og scrZIP-neuronkulturer, forårsager de simpelthen celledød.

Denne mistanke blev kontrolleret ved hjælp af passende farvestoffer, som kun viser deres farve i døde celler (figur 2). Det viste sig, at ZIP og scrZIP begynder at dræbe neuroner efter 20 minutters eksponering. Igen, jo højere dens koncentration, jo flere celler døde.

Fig. 2. ZIP dræber hippocampale neuroner i kultur. I rødt viser døde celler grøn – levende. Propidiumiodid og calcein-AM er farvestoffer, der anvendes til at studere celledød (inklusive programmeret). Rød farve propidiumiodid antyder, at cellens DNA er hårdt beskadiget, og grøn farve Calcein-AM signalerer, at esteraseenzymer stadig arbejder i cellen, og alt er relativt i orden. Figur fra den diskuterede artikel i Journal of Neuroscience

Forfatterne af artiklen foreslog, at denne effekt af ZIP og scrZIP kan forklares af et sæt aminosyrer, der udgør deres sammensætning. Flere aminosyrerester på 13 er positivt ladede. Og det ligner nogle antibakterielle og antifungale peptider, hvor 4-5 aminosyrer i sammensætningen bærer en positiv ladning. Sådanne peptider, uanset rækkefølgen af ​​aminosyrer i deres molekyler, påvirker signifikant celleoverlevelse (A. Makovitzki et al., 2006. Ultrashort antibakterielle og antifungale lipopeptider).

Fra disse resultater følger det med at ZIP virkelig "sletter hukommelsen."Men dens virkning er slet ikke så specifik som pionererne under ledelse af Todd Saktor og dem, der forsøgte at gentage deres forsøg på andre dyr, der troede på. Tilsyneladende er handlingen af ​​ZIP og tilsyneladende inaktiv analog af scrZIP ligner et slag mod hovedet. Det virker naturligvis, men konsekvenserne er slet ikke det, vi ønsker.

Men alt det, der er blevet sagt, er ikke en grund til at glemme M-zeta proteinkinaseundersøgelser og ikke engang en grund til at tro på, at den ikke spiller nogen rolle i hukommelsesprocesser. Faktisk er undersøgelsen af ​​virkningen af ​​en inhibitor af et molekyle ikke det samme som undersøgelsen af ​​selve molekylets virkning. Derudover viste det sig, at ZIP påvirker mange processer på én gang, og i de fleste tilfælde har virkningerne ikke noget at gøre med PKMζ. Sandsynligvis bør forskere genoverveje deres metoder til at studere enzymet selv, men der er ingen grund til at afslutte forskning.

kilder:
1) Noa Sadeh, Sima Verbitsky, Yadin Dudai og Menahem Segal. Zeta-inhibitorisk peptid, en kandidatinhibitor af proteinkinase, er excitotoksisk for dyrkede hippocampale neuroner // Journal of Neuroscience. 2015. V. 35 (36). P. 12404-12411.
2) Todd C. Sacktor. Hvordan opretholder PKMζ langvarig hukommelse? // Natur Anmeldelser Neurovidenskab. 2011. V. 12. s. 9-152.
3) Anna M. Lee, Benjamin R. Kanter, Dan Wang, Jana P. Lim, Mimi E. Zou, Chichen Qiu, Thomas McMahon, Jahan Dadgar, Sarah C. Fischbach-Weiss og Robert O. Messing. Prkcz null mus viser normal læring og hukommelse // natur. 2013. V. 493, s. 416-419.
4) Lenora J. Volk, Julia L. Bachman, Richard Johnson, Yilin Yu og Richard L. Huganir. PKM-ζ er ikke påkrævet for hippocampal synaptisk plasticitet, læring og hukommelse // natur. 2013. V. 493, s. 420-423.
5) Yudong Yao, Charles Shao, Desingarao Jothianandan, Andrew Tcherepanov, Harel Shouval, Todd Charlton Sacktor. Matchende biokemiske og funktionelle virkninger bekræfter ZIP som en potent konkurrerende hæmmer af PKMζ i neuroner // neurofarmakologi. 2013. V. 64. s. 37-44.
6) Amy S. Bogard, Steven J. Tavalin. Proteinkinase C (PKC) se Pseudosubstrat-inhibitorpeptid binder promiscuøst ​​PKC-familiens målretning og translokation // Molekylær farmakologi. 2015. V. 88. P. 728-735.

Se også:
1) Hvilket bidrag gør M-zeta proteinkinase til hukommelsesdannelse?, "Elements", 12.02.2013.
2) De molekylære baser af langvarig hukommelse, "Elements", 12.03.2012 er beskrevet.

Svetlana Yastrebova


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: