意想不到的機(jī)制使CaMKII能夠解碼大腦中的鈣信號(hào)

在一個(gè)聯(lián)系日益緊密的世界里，筆譯員和口譯員在交流思想和信息方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們的重要目的是準(zhǔn)確地將意義從一種語(yǔ)言轉(zhuǎn)移到另一種語(yǔ)言。如今，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代行業(yè)都對(duì)口譯員至關(guān)重要。但是你知道你的大腦也需要它們嗎？

雖然不是傳統(tǒng)意義上的，但大腦中的細(xì)胞正在以各種語(yǔ)言積極傳遞信息和相互交流。神經(jīng)元使用神經(jīng)遞質(zhì)、分子和電信號(hào)來(lái)說(shuō)話。為了正確理解對(duì)方，大腦中的細(xì)胞需要精通翻譯技巧。專注于大腦獨(dú)特的語(yǔ)言，這種特殊的蛋白質(zhì)準(zhǔn)確地解讀輸入的信息，并將其從一個(gè)神經(jīng)元準(zhǔn)確地傳遞到下一個(gè)神經(jīng)元。

大腦中一種重要的翻譯稱為鈣/鈣調(diào)蛋白依賴蛋白激酶(CaMKII)，在學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。當(dāng)我們學(xué)習(xí)新技能或形成記憶時(shí)，被稱為突觸的神經(jīng)元之間的交流位點(diǎn)會(huì)動(dòng)態(tài)變化。隨著突觸的反復(fù)激活，鈣信號(hào)開(kāi)始復(fù)雜的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致神經(jīng)元連接強(qiáng)度的持久變化。這個(gè)被稱為突觸可塑性的過(guò)程被認(rèn)為是學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)。CaMKII在可塑性中起著重要作用，可塑性解釋了鈣信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為有助于編碼記憶的持久變化。但這一過(guò)程背后的確切機(jī)制仍然難以捉摸。

《自然通訊》雜志最近發(fā)表了一項(xiàng)新的研究，該研究由MPFI科學(xué)部主任永田亮平博士完成，揭示了一種意想不到的機(jī)制，這種機(jī)制使CaMKII能夠解碼和翻譯大腦中的鈣信號(hào)。利用先進(jìn)的成像技術(shù)和新的生物傳感器，Yasuda和他的團(tuán)隊(duì)在單突觸水平上揭示了CaMKII活動(dòng)的新見(jiàn)解。

為了研究CaMKII在突觸可塑性中的作用，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的傳感器，可以解決蛋白質(zhì)兩種不同形式的活動(dòng)。第一個(gè)傳感器camkia-CaM報(bào)告說(shuō)，CaMKII活動(dòng)依賴于它與鈣調(diào)素(CaM)的關(guān)聯(lián)。一種調(diào)節(jié)鈣和CaMKII結(jié)合的蛋白質(zhì)。第二個(gè)傳感器，Camui，報(bào)告了CaMKII的全部激活，包括CaMKII經(jīng)歷自磷酸化時(shí)的CaM依賴和CaM獨(dú)立活動(dòng)。

使用雙光子顯微鏡和谷氨酸解鎖來(lái)模擬單個(gè)突觸的可塑性，研究小組使用他們新設(shè)計(jì)的傳感器來(lái)研究神經(jīng)元中不同形式的CaMKII活動(dòng)。此前，人們認(rèn)為CaMKII主要通過(guò)其依賴CaM的活動(dòng)解碼鈣信號(hào)，但MPFI的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)情況可能并非如此。使用CamKi-CaM傳感器，他們注意到CAm依賴性活動(dòng)快速但輕微增加，當(dāng)突觸中誘導(dǎo)鈣脈沖時(shí)迅速穩(wěn)定。隨著鈣脈沖的持續(xù)，神經(jīng)元內(nèi)camkia-CaM的活性沒(méi)有進(jìn)一步增加。相比之下，Camui傳感器顯示出更強(qiáng)的活性和逐漸激活。鈣脈沖數(shù)的增加與CaMKII活性的增加直接相關(guān)。

有趣的是，這些結(jié)果表明，在突觸水平上，CaMKII的活動(dòng)主要由其自主激活驅(qū)動(dòng)，在很小程度上由其與CaM的相互作用驅(qū)動(dòng)。此外，這些發(fā)現(xiàn)揭示了CaMKII的自主活動(dòng)負(fù)責(zé)響應(yīng)和解釋突觸可塑性過(guò)程中的鈣信號(hào)語(yǔ)言。

“CaMKII已成為突觸可塑性的一個(gè)非常重要的參與者，但由于其復(fù)雜的激活特性，其活動(dòng)的工作模式難以實(shí)現(xiàn)。”Yasuda指出，“有了我們的新傳感器收集的新見(jiàn)解，我們現(xiàn)在可以提出一個(gè)與我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致的模型；擴(kuò)大我們對(duì)分子對(duì)記憶貢獻(xiàn)的理解。”

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