Теория синтеза белков de novo и формирования памяти

Теория формирования памяти, основанная на синтезе белков de novo, представляет собой гипотезу о формировании физических коррелятов памяти в мозге . Широко признано, что физиологические корреляты воспоминаний хранятся в синапсах между различными нейронами . Относительная сила различных синапсов в сети нейронов формирует след памяти, или « энграмму », хотя процессы, подтверждающие это открытие, менее изучены. Теория синтеза белка de novo утверждает, что производство белков необходимо для инициирования и потенциального поддержания этих пластических изменений в мозге. Он пользуется большой поддержкой в ​​нейробиологическом сообществе, но некоторые критики утверждают, что воспоминания могут создаваться независимо от синтеза белка.

История

Первоначально ингибиторы синтеза белка (PSI) использовались только в качестве антибиотиков . Посредством различных механизмов, уникальных для каждого PSI, они ингибируют синтез белков , как правило, на уровне трансляции. Они добились известности в биологическом научном сообществе, когда исследования синтеза белка потребовали от PSI изучения определенных физиологических процессов. В ходе этого направления исследований было обнаружено, что инъекция PSI в гиппокамп приводила к амнезии : воспоминания, подвергавшиеся консолидации во время инъекции, были потеряны. После инъекции животным (обычно крысам) повторно проверяли память, и в результате прерывания консолидации памяти они реагировали на знакомую ситуацию так, как если бы они находились в новой среде. Это породило теорию синтеза белков de novo: для формирования долговременной памяти необходим синтез новых белков.

Эрик Кандел установил многие биохимические маркеры обучения и памяти у аплизии (калифорнийского морского слизняка) в 1970-х годах, поскольку его результаты указали на потенциальные пути, связанные с синтезом белка. За свои исследования он получил Нобелевскую премию в 2000 году. В том же году Надер опубликовал свои выводы о роли восстановленных воспоминаний, которые уже подверглись консолидации. Например, воспоминания о прошлых событиях являются примерами уже консолидированных воспоминаний. Надер обнаружил, что в процессе запоминания вновь активированные воспоминания требуют повторной консолидации. Различные факторы могут прервать этот процесс; но без синтеза белка реконсолидация памяти не произошла бы и привела бы к потенциальной потере восстановленных воспоминаний. Это известно как теория реконсолидации памяти, которая утверждает, что после реактивации воспоминания подвергаются процессу, подобному первоначальной консолидации, чтобы вернуть их в постоянное состояние. С тех пор было проведено множество исследований для выяснения механизмов, генов и белков, участвующих в физиологических коррелятах памяти.

Ингибиторы синтеза белка

Ингибиторы синтеза белка представляют собой класс антибиотиков, которые предотвращают выработку новых белков путем ингибирования экспрессии генов в клетках («Ингибиторы синтеза белка», PSI). Обычно они действуют на рибосомном уровне посредством различных механизмов, которые не позволяют рибосоме завершить трансляцию. Ингибиторы синтеза белка, действующие на прокариотические клетки, часто используются в качестве клинически назначаемых антибиотиков, а те, которые действуют на эукариотические клетки, были адаптированы для исследовательских целей. В исследованиях обычно используемые PSI включают анизомицин , циклогексимид и пуромицин , хотя в последнее время использование пуромицина прекратилось из-за его токсических свойств и многочисленных побочных эффектов. Анизомицин обладает относительно высокой эффективностью в ингибировании синтеза белка и имеет большой эффективный временной интервал. Циклогексимид часто используется в острых исследованиях из-за его высокого уровня ингибирования и легкости обратимости.

Физиологические изменения

Долгосрочное потенцирование

Направление исследований исследует долговременную потенциацию (LTP), процесс, который описывает, как память может быть консолидирована между двумя нейронами или клетками мозга, в конечном итоге путем создания цепи внутри мозга, которая может кодировать воспоминания. стимуляции для инициирования цепи обучения между двумя нейронами В одном известном исследовании описано использование столбнячной для деполяризации одного нейрона напряжением 30 мВ, что, в свою очередь, активировало его глутаматные рецепторы NMDA . Активация этих рецепторов привела к образованию Ca ²⁺ наводняет клетку, запуская каскад вторичных мессенджеров. Каскад результирующих реакций, вызываемых вторичными мессенджерами, завершается активацией белка, связывающего элемент ответа цАМФ (CREB), который действует как фактор транскрипции для различных генов и инициирует их экспрессию. Некоторые сторонники утверждают, что гены стимулируют изменения в коммуникации между нейронами, которые лежат в основе кодирования памяти; другие предполагают, что эти гены являются побочными продуктами сигнального пути LTP и не участвуют непосредственно в LTP. Однако, учитывая каскад вторичных мессенджеров, никто не станет оспаривать тот факт, что в постсинаптическом терминале появляется больше АМРА-рецепторов . Более высокое количество АМРА-рецепторов в сочетании с вышеупомянутыми событиями позволяет увеличить потенциал срабатывания в постсинаптической клетке, что создает улучшенную схему обучения между этими двумя нейронами. Из-за специфической, зависящей от активности природы LTP, это идеальная модель нейронного коррелята памяти, как постулируют многочисленные исследования; В совокупности эти исследования показывают, что отмена LTP предотвращает формирование памяти на нейрональном уровне.

Консолидация систем

Консолидация систем — это процесс, посредством которого воспоминания переходят из уязвимого состояния в достаточно постоянное. В нем также описывается роль, которую определенные структуры мозга, особенно гиппокамп, играют в консолидации памяти, а также степень консолидации определенных типов воспоминаний. LTP описывает консолидацию на клеточном уровне, то есть консолидацию памяти, происходящую между отдельными нейронами. Первоначально клеточная консолидация, или LTP, начинается в гиппокампе; там ингибиторы синтеза белка, тетродотоксин , лидокаин , поражения и другие факторы могут влиять на активность гиппокампа и вызывать дефицит памяти . Теорию системной консолидации памяти обычно исследуют путем изучения потери памяти на прошлые события (ретроградная амнезия), возникающей в результате повреждения гиппокампа, участвующего в консолидации систем. Ретроградная амнезия может быть либо временной (старые воспоминания затрагиваются меньше), либо плоской (все воспоминания, независимо от возраста, затрагиваются одинаково), в зависимости от типа закодированных воспоминаний и степени повреждения гиппокампа.

Семантическая память

Семантические воспоминания (воспоминания о фактах) — это один из типов памяти, который, как предполагается, подвергается полной системной консолидации в гиппокампе. Полная консолидация систем может в конечном итоге сделать семантические воспоминания постоянными, и в этом состоянии они станут независимыми от гиппокампа. Существуют доказательства того, что семантические воспоминания существуют независимо от какой-либо структуры мозга, особенно если учесть, что ущерб, который ретроградная амнезия наносит семантической памяти, дифференцирован по времени: существует более высокая вероятность сохранения более старых воспоминаний, даже если гиппокамп полностью поврежден. Новые семантические воспоминания демонстрируют более изменчивую вероятность сохраняемости, поскольку на них может повлиять минимальное или полное разрушение гиппокампа.

Эпизодическая память

Эпизодические воспоминания (воспоминания о моментах или событиях) — это тип памяти, который не может подвергаться полной системной консолидации; в результате они остаются полностью зависимыми от гиппокампа. Поэтому они не могут существовать независимо от каких-либо структур мозга, в отличие от семантических воспоминаний. Данные показывают, что полное повреждение гиппокампа приводит к плоской ретроградной амнезии эпизодических воспоминаний, включая более старые воспоминания. Однако если гиппокамп поврежден лишь частично, амнезия может иметь временной градиент. аналогично тому, что наблюдается в случае семантических воспоминаний: старые воспоминания сохраняются с большей вероятностью, а новые — меньше.

Сон и консолидация систем

Механизм консолидации систем неизвестен, но было установлено, что синтез белка должен происходить в коре головного мозга , где хранится независимая память гиппокампа, и что сон, вероятно, играет роль в консолидации систем. Активация многих генов активируется во время сна, и поэтому существует вероятность того, что синтез белка активен при консолидации сна. Еще неизвестно, использует ли корковая консолидация те же механизмы, что и гиппокамп, для установления следа памяти.

Предлагаемые белки de novo

После того, как было установлено, что белки участвуют в формировании воспоминаний, и сформировалось понимание того, как работают процессы, окружающие белки, следующим этапом стало выявление кандидатов на роль белков, связанных с пластичностью (белков, которые будут поддерживать пластические изменения между нейронами, ПРП). Хотя многие молекулы, белки и ферменты вовлечены в связанные процессы памяти, идентификация конкретных белков, которые синтезируются специально для облегчения памяти, является сложной задачей. Ниже перечислены наиболее распространенные кандидаты на роль PRP, которые поддерживают функции памяти и обучения.

ПКМзета

В 2011 году Тодд Сактор предложил модель того, как синтез белка de novo модулирует пластичность. Протеинкиназа М-дзета (PKMzeta) представляет собой белок, связанный с пластичностью, который регулирует физиологические процессы, лежащие в основе обучения и памяти в модели Сактора. PKMzeta — это изоформа протеинкиназы C, которая отличается тем, что не имеет аутоингибирующего домена, который требует высоких уровней субстрата для постоянной активации фермента. мРНК PKMzeta транспортируется в синаптические зоны дендритов, где транслируется посредством активности множества сигнальных путей, связанных с LTP. После экспрессии PKMzeta требует начального фосфорилирования с помощью фосфоинозитид-зависимой протеинкиназы 1 (PDK1), после чего он может действовать без ингибирования. Белок, взаимодействующий с C-киназой 1 (PICK1), обычно способствует эндоцитарному удалению рецепторов AMPA, содержащих субъединицу GluR2 , из постсинаптических областей. PKMzeta и PICK1 имеют общий сайт связывания, что позволяет им образовывать мультибелковый комплекс. Фактор, чувствительный к N-этилмалеимиду (NSF), может нарушать связывание PICK1 с C-концом рецепторов AMPA. Это позволяет PKM zeta фосфорилировать рецепторы, которые доставляют их в синапс и облегчают возбудимость нейрона. Находясь в мембране, сайт плотного связывания тирозина в рецепторах GluR2 AMPA используется устойчивым к брефелдину Arf-GEF 2 (BRAG2) для активного удаления из синапса, где он сохраняется в везикулах с помощью PICK1. PMKzeta непрерывно фосфорилирует рецепторы GluR2 AMPA, чтобы поддерживать их присутствие внутри синаптической мембраны. Было проведено множество исследований, подтверждающих роль каждой из этих молекул, хотя всегда есть сомнения и предположения об альтернативных процессах.

PKMzeta представляет собой отличную модель для гипотезы синтеза белка de novo. Эффекты LTP суммируются, позволяя транскрибировать PKMzeta, что требует рибосомальной активности в дендритах. Блокирование трансляции или транскрипции белков предотвратит экспрессию PKMzeta, предотвращая усиление нейронных сетей, лежащих в основе памяти. Из-за длительного периода полураспада PSI не влияет на поддержание рецепторов в синапсе. Но создание новой памяти потребует новой экспрессии PKMzeta, что объясняет специфичность амнезии, вызванной PSI.

Нейротрофический фактор головного мозга

Нейротрофический фактор головного мозга (BDNF) представляет собой нейротрофин, связанный с пластичностью и ростом центральной нервной системы . Он является кандидатом на PRP, поскольку его экспрессия тесно связана с активностью, а нарушения в его трансляции и передаче сигналов приводят к дефициту L-LTP и амнезии. Было показано, что BDNF усиливает активность ранней LTP, но считается, что более длительные фазы LTP требуют синтеза белка. Ингибирование трансляции BDNF посредством PSI показало характерное блокирование LTP и амнезию, за которой последовал генетический нокаут гена, экспрессирующего BDNF. У этих животных с дефицитом BDNF применение внешнего BDNF может обеспечить индукцию LTP . Были случаи, когда присутствие BDNF не требовалось для индукции LTP, что позволяет предположить, что на самом деле может существовать множество параллельных путей PRP, которые приводят к формированию памяти.

BDNF и PKMzeta обладают некоторыми эффектами взаимодействия. Когда LTP индуцировался в клеточных культурах BDNF-зависимыми способами (стимуляция тета-взрыва или увеличение концентрации цАМФ), он был отменен с применением ZIP ( дзета-ингибирующий пептид ), белка, который, как считается, специфически инактивирует PKMzeta. Это говорит о том, что ПКМзета является конечным модулятором ДП и обучения. Как и ожидалось, уровни PKMzeta снизились при применении PSI, но, что любопытно, этого не произошло, если также применялся BDNF. Эти данные показывают, что BDNF модулирует процесс LTP, делая его независимым от синтеза белка, вопреки теории синтеза белка de novo.

Критика

Электрическая активность

При воздействии анизомицина на гиппокамп активные воспоминания не могут полностью консолидироваться и теряются. Когда анизомицин применяется к клеточным культурам, электрическая активность внутри культур прекращается. Это особое свойство PSI не было учтено при создании теории синтеза белка de novo и является альтернативным объяснением амнезийных эффектов PSI. Если нейрон не электрически активен, он не передает информацию; следовательно, отсутствие электрической активности в нейроне само по себе может быть причиной потери памяти. Анизомицин, вводимый в дозе, которая ингибирует 95% синтеза белка и связанную с ним электрическую активность, не является самой высокой дозой, используемой в исследованиях PSI. Более высокие дозы могут изменить другие процессы, помимо синтеза белка, и вызвать подавление нервной активности, учитывая, что пуромицин обладает цитотоксическими свойствами, поэтому вполне возможно, что другие PSI могут иметь аналогичные эффекты, которые проявляются в прерывании нейронной активности. Кроме того, было показано, что анизомицин вызывает значительное высвобождение катехоламинов , что сопровождается подавлением нервной системы, что еще не полностью объяснено. Эти побочные эффекты, помимо ингибирования синтеза белка, могут объяснять амнезию, вызванную PSI, но эти результаты являются относительно новыми и, как ожидается, в ближайшем будущем привлекут большое внимание исследователей.

Формирование памяти и LTP независимо от синтеза белка

Демонстрация того, что воспоминания могут быть сформированы и что LTP может быть инициирована без синтеза белка, сильно снижает силу теории de novo, которая прямо утверждает, что для формирования воспоминаний необходим синтез. В результате многие исследования показали различные способы индукции этих событий, когда образцы находятся под воздействием анизомицина или других ингибиторов синтеза белка. BDNF, примененный к клеточным культурам с PSI, все еще подвергается LTP, что позволяет предположить, что посттрансляционные модификации, такие как фосфорилирование или горизонтальный транспорт, могут использоваться в отсутствие синтеза белка. Кроме того, ZIP вызывает амнезию, но его специфичность для PKMzeta подвергается сомнению, что ставит под сомнение точность модели PKMzeta.

Ссылки

• Абель Т., Нгуен П., Барад М., Деуэль Т., Кандел Э., Бурчуладзе Р. (1997). «Генетическая демонстрация роли РКА в поздней фазе LTP и в долговременной памяти гиппокампа». Клетка . 88 : 615–626.
• Бурка Э.Р., Баллас С.К., Сабесин С.М. (1975). «Токсическое действие пуромицина на мембраны эритроцитов, не связанное с ингибированием синтеза белка». Кровь . 45 (1): 21–27.
• Флекснер Л.Б., Флекснер Дж.Б. (1966). «Влияние ацетоксициклогексимида и смеси ацетоксициклогексимид-пуромицин на синтез церебрального белка и память у мышей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 55 : 369–374.
• Хокинс Р.Д., Кандел Э.Р., Бейли Ч.Х. (2006). «Молекулярные механизмы хранения памяти при аплизии». Биологический бюллетень . 210 (3): 174–191.
• Хаяши Ю., Хаяши С.Х., Эстебан Дж.А., Пиччини А., Понсер Дж.К., Понсер М. (2000). «Введение рецепторов AMPA в синапсы с помощью LTP и CaMKII: необходимость взаимодействия доменов GluR1 и PDZ». Наука . 287 (5461): 2262–2267.
• Лу Й, Кристиан К., Лу Б (2007). «BDNF: ключевой регулятор зависимой от синтеза белка LTP и долговременной памяти?» . Нейробиология обучения и памяти . 89 (3): 312–323. дои : 10.1016/j.nlm.2007.08.018 . ПМЦ   2387254 .
• Мэй Ф., Нагаппан Г., Ке Ю., Сактор Т.К., Лу Б. (2011). «BDNF облегчает поддержание L-LTP при отсутствии синтеза белка посредством PKMζ». ПЛОС ОДИН . 6 (6). е21568.
• Надер К., Шафе Г.Е., Ле Ду Дж.Э. (2000). «Воспоминания о страхе требуют синтеза белка в миндалевидном теле для повторной консолидации после извлечения». Природа . 406 : 722–726. дои : 10.1038/35021052 .
• Новак Л., Брегестовский П., Ашер П., Герберт А., Прочианц А. (1984). «Каналы, активируемые глутаматом магниевых ворот, в центральных нейронах мыши». Природа . 307 (2): 462–465. дои : 10.1038/307462a0 .
• Сактор ТЦ (2011). «Как PKMζ поддерживает долговременную память?» . Обзоры природы Неврология . 12 (1) (опубликовано 1 декабря 2010 г.): 9–15. дои : 10.1038/nrn2949 . ПМИД   21119699 . S2CID   15231051 .
• Шарма А.В., Нарганг Ф.Е., Диксон Коннектикут (2012). «Нейросиленция: глубокое подавление нервной активности после внутримозгового введения ингибитора синтеза белка анизомицина» . Журнал неврологии . 32 (7): 2377–2387. doi : 10.1523/JNEUROSCI.3543-11.2012 . ПМК   6621804 .
• Стикголд Р., Уокер, член парламента (2005). «Консолидация и реконсолидация памяти: какова роль сна?». Тенденции в нейронауках . 28 (8): 408–415. дои : 10.1016/j.tins.2005.06.004 .
• Сазерленд Р.Дж., Lehman H (2011). «Альтернативные концепции консолидации памяти и роль гиппокампа на системном уровне у грызунов». Современное мнение в нейробиологии . 21 (3): 446–451. дои : 10.1016/j.conb.2011.04.007 .
• Васкес Д. (1967). «Ингибиторы синтеза белка на уровне рибосом: исследования места их действия». Науки о жизни . 6 : 381–386.
• Виллерс А., Годо Э., Рис Л. (2012). «Длительная LTP не требует ни повторных тренировок для ее индукции, ни синтеза белка для ее развития» . ПЛОС ОДИН . 7 (7). е40823. дои : 10.1371/journal.pone.0040823 .
• Ву-Чжан А.С., Шрамм К.Л., Набави С., Малинов Р., Ньютон AC (2012). «Клеточная фармакология протеинкиназы М-дзета (PKMzeta) контрастирует с ее профилем in vitro: значение PKM-дзета как медиатора памяти». J Биол Хим . 287 : 12879–85.

Дальнейшее чтение

• «Ингибиторы синтеза белка» . Национальная медицинская библиотека.
• Альберини, Кристина М.; Дхананджай Бамбах-Мукка; Диллон Ю. Чен (2012). «Консолидация памяти и ее основные механизмы» . У Карла Питера Гизе (ред.). Механизмы памяти в здоровье и болезни: механистические основы памяти . Всемирная научная. стр. 147–170. ISBN  978-981-4366-69-4 .
• Сантини, Эмануэла; Тху Н. Хюинь; Эрик Кланн (2014). «Механизмы контроля трансляции, лежащие в основе длительной синаптической пластичности и консолидации долговременной памяти» . В Зафире У. Хане; Э. Крис Мюли (ред.). Молекулярные основы памяти . Прогресс молекулярной биологии и трансляционной науки. Том. 122. Эльзевир Наука. стр. 131–168. дои : 10.1016/B978-0-12-420170-5.00005-2 . ISBN  978-0-12-420200-9 . ПМК   6019682 . ПМИД   24484700 .
• Шэн М., Гринберг М.Э. (1990). «Регуляция и функция c-fos и других ранних ранних генов нервной системы». Нейрон . 4 : 447–485.
• Ву X, Чжу Д., Цзян Х, Окагаки П., Мироу К., Чжу Г., МакКолл С., Банауда К., Липски Р.Х., Марини А.М. (2004). «AMPA защищает культивируемые нейроны от экситотоксичности глутамата посредством фосфатидилинозитол-3-киназы-зависимой активации киназы, регулируемой внеклеточными сигналами, для усиления экспрессии гена BDNF». Журнал нейрохимии . 90 : 807–818. дои : 10.1111/j.1471-4159.2004.02526.x .