Секрет долговременной памяти разгадан

Долговременная память — явление загадочное. Ее механизм принципиально отличается от фосфрилирования белков, происходящего в процессе кратковременного запоминания. Американские ученые сделали неожиданный вывод: этот процесс связан с переходом специфического белка CPEB в амилоидное состояние, которое обычно ассоциируется с тяжелым болезнями.

Фото:

Долговременная память — явление в принципе загадочное. Развернутые исследования показывают, что по длительности хранения память делится на три последовательных этапа: сенсорная память (след возбуждения сенсорных отделов в нервной системе), кратковременная и долговременная память. Сенсорная, или первичная память длится доли секунд и служит первичной обработке сенсорной информации — звуковой, зрительной, тактильной и так далее и ее дальнейшему анализу. Собственно, это даже не память как таковая, а некий сенсорный след воспринятых организмом стимулов. Но длится этот след дольше, чем само воздействие того или иного стимула, из-за задержек и переключений в центральной нервной системе.

Материал, отобранный на хранение, фиксируется во вторичной или кратковременной памяти. Ее биохимический механизм связан с фосфорилированием ряда белков в нейронах. Фосфорилирование происходит в ответ на их стимуляцию, что приводит к изменению силы синапсов. По мере того как модифицированные белки выводятся из оборота, событие забывается — если только не происходит "перекодировки" кратковременных воспоминаний в долговременную память.

Читайте также: Подделать память? Проще простого!

Именно долговременная или третичная память обеспечивает наиболее прочное удержание информации. Воспоминания проходят "перекодировку" при наличии мотивации, сильной эмоциональной окрашенности или регулярного повторения. Очевидно, что механизм долговременной памяти принципиально отличается от фосфрилирования (пришивания остатка фосфорной кислоты) белков. Биохимический процесс в данном случае должен базироваться на изменении нейронов, которое может сохраняться очень долго, иногда — в течение всей жизни организма. Но каком?

Несколько лет назад ученые выдвинули гипотезу, что таким изменением является переход в амилоидное состояние белка CPEB (Orb2 у мушки дрозофилы). Недавно эта гипотеза получила подтверждение.

Прежде амилоиды в научном мире ассоциировались в основном с негативными явлениями. Они были известны как патологические белковые структуры, вызывающие обширную группу так называемых амилоидных заболеваний: болезни Альцгеймера, Паркинсона, а также прионных болезней — нейродегенеративных заболеваний, связанных с накоплением в организме прионов, инфекционных агентов белковой природы.

Сами амиолиды представляют из себя фибриллярные полимеры некоторых в норме растворимых клеточных белков. Они катализируют структурную перестройку и присоединение к себе мономеров того же белка, и за счет этого растут. Эти вещества могут быть инфекционными, в этом случае они как раз называются прионными.

Инфекционность их объясняется как раз свойством катализировать структурную перестройку. У человека и животных прионы связаны лишь с одним белком — PrP, и вызывают коровье бешенство, скрейпи ("почесуху) овец и болезнь Крейцфельдта-Якоба у людей.

Явление, аналогичное прионам, было обнаружено у обыкновенных пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae. У них прионы болезнью не являются, в их случае это редкий фенотип с нестандартным способом наследования, отличным от традиционных законов Менделя. Прионы дрожжей возникают спонтанно и довольно редко. Зато впоследствии могут сохраняться в ряду поколений, а при скрещивании передаваться всем потомкам.

Таким образом, прионогенный белок может стабильно находиться в двух состояниях:прионном(полимеризующемся) или нормальном. Ученые провели аналогию: клетку с прионогенным белком можно представить как однобитную ячейку памяти.

Работа нейронов ранее нередко изучалась на морском зайце — моллюске аллизии (Aplysia californica): он имеет крупные, удобные для изучения нейроны. Подробные исследования нейронов аллизии показали, что для долговременной памяти необходим белок CPEB (cytoplasmic polyadenylation element binding protein). Этот белок активирует транскрипцию матричных РНК, необходимых для запоминания. (Долговременная память требует синтеза новых мРНК и белков и часто сопровождается установлением новых синаптических связей).

К удивлению ученых, по своей структуре CPEB оказался похож на дрожжевые прионные белки. Сходство этих белков в том, что каждый имеет две части: функциональный домен и прионный домен, способный полимеризоваться. Функциональные домены у CPEB и прионных белков дрожжей совершенно различны, а прионные домены обладают общим свойством — они не структурированы и сильно обогащены аминокислотными остатками глутамином и аспарагином.

Именно это позволяет прионным доменам полимеризоваться в амилоидные фибриллы. Свойства CPEB проверили в дрожжевой модели, и оказалось, что он ведет себя как полноценный дрожжевой прион: способен переходить в стабильно наследуемое полимерное состояние.

Для окончательного подтверждения связи долговременной памяти с переходом белков в амилоидное состояние, американские биологи провели исследования на мушках дрозофилах. В отличие от аллизии, у дрозофилы есть два варианта белка СРЕВ: Orb2A и Orb2B, которые получаются из одной мРНК. Белок Orb2B синтезируется постоянно, а Orb2A — лишь в ответ на стимуляцию нейрона.

Ученые предположили, что при стимуляции нейронного синапса у дрозофил синтезируется Orb2A. Он переходит в полимерное состояние и увлекает за собой Orb2B. Далее процесс полимеризации поддерживается молекулами Orb2B и может продолжаться сколь угодно долго, что соответствует фиксации события в долговременной памяти.

Для проверки гипотезы биологи провели мутагенез белка Orb2A и получили мутации, нарушающие его способность инициировать полимеризацию., а затем провели тест, выявляющий работу памяти у мушек с мутацией и без нее. В эксперименте дрозофилам давали попробовать капельки воды, простой или с сахаром, помеченные разными запахами.

Затем биологи проверяли, в течение какого времени мушки смогут выбирать "вкусную", сладкую каплю по запаху. У мушек с мутацией Orb2A кратковременная память работала нормально, а вот долговременная оказалась нарушена — у них ассоциация сохранялась лишь в течение двух суток. В другом опыте самцу дрозофила несколько раз подряд предъявляли "неотзывчивую" самку, уже прошедшую спаривание.

Наученный горьким опытом, обычный самец навсегда разуверивался в женщинах и не начинал ухаживаний, встречая очередную самку. А мутантный самец забывал о своем фиаско примерно через двое суток.

Читайте также: Найден белок, улучшающий память

Тесты подтвердили: мутация, нарушающая полимеризацию Orb2, нарушает и долговременную память. По словам ученых, нервным клеткам удалось "приручить" амилоиды. Чрезвычайно важно и то, что клетка, как выяснилось, может управлять переходом в амилоидное состояние. Однако вывести синапс из этого состояния скорее всего невозможно, предполагают ученые. "Стереть и перезаписать" долговременную память нельзя. По словам специалистов, мозг, по-видимому, можно сравнить с устройством с однократной записью вроде CD-диска, но не с винчестером.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"