Развенчан миф о «молекуле памяти»

В течение многих лет в центре дискуссий специалистов, занимающихся исследованием долговременной памяти, находился белок протеинкиназа М-дзета. Ингибирование этого белка помогало «стереть» старые воспоминания, а усиление его активности, наоборот, усилить воспоминания, которые поблекли [1, 2]. Результаты исследований, проведенных двумя независимыми исследовательскими командами, изменили ранее сложившиеся представления о функциях «молекулы памяти». Ученым удалось получить линии лабораторных мышей, в организме которых отсутствует белок протеинкиназа М-дзета, а затем они доказали, что у выведенных животных нет определяемых экспериментально нарушений памяти. Результаты этих исследований были недавно опубликованы в журнале Nature [3, 4].

Научный интерес к ферменту протеинкиназа М-дзета (protein kinase M-ζ, PKM-ζ) возник в 2007 г., когда Тодд Сактор (Todd Sacktor) из Медицинского Центра Даунстейт при Университете штата Нью-Йорк (SUNY Downstate Medical Center, США) смог «стереть» воспоминания мышей о неприятных запахах, возникших около месяца назад. Для этого Сактор ввел в гиппокамп животных (область головного мозга, играющую ключевую роль в формировании памяти) небольшой пептид, называемый ZIP (zeta inhibitory peptide), способный блокировать фермент PKM-ζ [1].

Другие исследовательские группы получили аналогичные результаты экспериментов, стирая у грызунов, мух и слизней различные типы памяти путем введения фермента ZIP в разные области головного мозга. В 2011 г. Сактор провел эксперимент с «противоположной» целью: он усилил воспоминания крыс о неприятных запахах с помощью генной терапии, введя в ткани их головного мозга дополнительные копии гена фермента PKM-ζ [2].

Сюрприз памяти

Результаты этих исследований показали, что долговременная память, в противоположность устоявшимся представлениям о своей неизменности и стабильности, является нестабильной и зависит от периода активности только одного фермента.

Ричард Хьюгэнир (Richard Huganir) из Университета Джона Хопкинса (Johns Hopkins University, США) заинтересовался полученными данными, но его беспокоило, что большая часть результатов экспериментов зависела от взаимодействий PKM-ζ с белком ZIP. Он и сотрудники его лаборатории пошли по другому пути, удалив у эмбрионов мышей два гена, один из которых отвечал за синтез PKM-ζ, а другой – за синтез близкородственного белка PKC-ζ [3]. Работая независимо от исследовательской группы Хьюгэнира, Роберт Мессинг (Robert Messing) и его коллеги из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско (University of California, San Francisco, США) вывели аналогичную линию лабораторных мышей [4].

Результаты экспериментов, проведенных с полученными линиями мышей, не выявили у животных нарушений памяти. У мышей, полученных в лаборатории Мессинга, формировались устойчивые воспоминания о страхах, предметах, местах и движениях при проведении всех поведенческих тестов. Грызуны, полученные в лаборатории Хьюгэнира, продемонстрировали нормальный уровень долговременной синаптической потенциации – усиление синаптической передачи между двумя нейронами, что, как предполагается, лежит в основе процессов обучения и формирования памяти.

«Результаты нашего исследования достаточно четко указывают на то, что фермент PKM-ζ не регулирует процесс формирования памяти», - говорит Хьюгэнир. По словам ученого, его исследовательская группа при проведении экспериментов не предполагала сделать такой вывод. Более того, обе научные команды обнаружили, что у мышей, несмотря на отсутствие в их организме фермента PKM-ζ, белок ZIP способен стирать «установившиеся» воспоминания.

Ленора Волк (Lenora Volk) из исследовательской команды Хьюгэнира считает, что полученные результаты не исключают той возможности, что фермент PKM-ζ может участвовать в процессе формирования определенных видов памяти. По словам Волк, фермент PKM-ζ не является самым важным регулятором процесса формировании памяти, как это предполагается в современной литературе.

По мнению Сактора, полученные результаты не являются полной неожиданностью для ученых, поскольку отсутствие определенного белка в организме могут компенсировать другие гены, как это обычно происходит у животных-нокаутов. Он предполагает, что родственные белки, например PKM-ι или PKM-λ, могут также участвовать в процессе формировании памяти. По словам Сактора, в будущих исследованиях ученые попытаются найти резервные механизмы формирования памяти.

Альтернативные пути

Научная команда под руководством Хьюгэнира также получила линию мышей, у которых ген фермента PKM-ζ может быть ингибирован по желанию исследователей. Для этого достаточно дать животным специфический лекарственный препарат. Такой подход позволил ученым постепенно истощить количество вырабатываемого фермента у взрослых грызунов. Результаты экспериментов подтвердили, что у этих мышей наблюдались долгосрочные синаптические потенциации, соответствующие уровню нормы.

По словам Линн Нейдел (Lynn Nadel), ученого-когнитивиста из Университета Аризоны (University of Arizona, США), полученные результаты не указывают на незначимость фермента PKM-ζ в процессе формирования памяти. По мнению Нейдел, эти данные свидетельствуют о сложности этого процесса, в котором, возможно, участвуют несколько сигнальных путей.

Другие сигнальные пути, которые могут быть задействованы в процессе формирования памяти, пока остаются не изученными. По словам Хьюгэнира, после того как было пересмотрено значение фермента PKM-ζ в процессе формирования памяти, остается только несколько возможных объяснений тому, как сохраняется долговременная память. Сейчас его исследовательская команда изучает другие механизмы, участвующие в этом процессе, пытаясь определить настоящие мишени белка ZIP. Хьюгэнир считает, что изучение механизмов, лежащих в основе сохранения долгосрочной памяти, на многие годы станет одной из самых интересных областей исследований в области нейробиологии.

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: doi:10.1038/nature.2013.12139

Литература:
1. Shema, R., Sacktor, T. C. & Dudai, Y. Science 317, 951–953 (2007).
2. Shema, R. et al. Science 331, 1207-1210 (2011).
3. Volk, L. J., Bachman, J. L., Johnson, R., Yu, Y. & Huganir, R. L. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature11802 (2013).
4. Lee, A. M. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature11803 (2013).