Penelitian Universitas Kanazawa: Pencitraan AFM berkecepatan tinggi mengungkapkan bagaimana enzim otak membentuk struktur cincin dodekamerik

KANAZAWA, Jepang, 26 Desember 2025 /PRNewswire/ — Para ilmuwan di Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Universitas Kanazawa, telah menangkap gambar waktu nyata yang menunjukkan bagaimana enzim otak kunci mengorganisir dirinya sendiri untuk membantu pembentukan memori. Studi mereka, yang diterbitkan dalam Nature Communications, mengungkapkan bahwa enzim CaMKII membentuk struktur subunit α/β campuran yang interaksinya menstabilkan sinyal terkait pembelajaran dalam neuron.

Saklar molekuler untuk pembelajaran

Salah satu enzim otak yang paling penting untuk pembelajaran dan memori adalah Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII). Enzim ini bertindak seperti saklar molekuler, menyalakan dan mematikan sinyal untuk membantu sel saraf memperkuat koneksi mereka — sebuah proses yang dikenal sebagai plastisitas sinaptik.

Ketika kita belajar, hubungan antara neuron, yang disebut sinapsis, diperkuat. CaMKII mendorong perubahan ini dengan mengorganisir ulang dan mengaktifkan molekul di dalam sinapsis tersebut.

CaMKII terdiri dari 12 subunit protein yang tersusun dalam cincin. Dua jenis subunit — α (alfa) dan β (beta) — dicampur dalam jumlah yang berbeda di berbagai wilayah otak. Para ilmuwan telah lama menduga bahwa keseimbangan tepat antara kedua bentuk ini penting untuk pembentukan memori, tetapi hingga saat ini, tidak ada yang benar-benar melihat bagaimana subunit α dan β bergabung dan berfungsi bersama di dalam struktur enzim.

Merekam molekul dalam gerakan

Menggunakan mikroskop gaya atom berkecepatan tinggi (HS-AFM), tim Universitas Kanazawa yang dipimpin oleh Mikihiro Shibata merekam gerakan dinamis CaMKII pada tingkat molekul tunggal. Gambar menunjukkan bahwa subunit α dan β bercampur dalam cincin 12 unit dengan rasio 3:1, sangat sesuai dengan komposisi alami yang ditemukan di otak depan mamalia.

Para peneliti juga menemukan bahwa subunit β secara preferensial memposisikan diri mereka berdampingan, dengan probabilitas kedekatan 83%, membentuk kelompok kecil dalam struktur cincin enzim.

Memori molekuler yang stabil

Ketika enzim diaktifkan oleh kalsium dan kalmodulin—sinyal yang terkait dengan aktivitas neuronal—subunit β yang berdampingan ini membentuk 'kompleks domain kinase' yang stabil yang bertahan untuk jangka waktu yang lama.

Struktur ini mengurangi aktivitas katalitik enzim secara keseluruhan tetapi mempertahankan permukaan terbuka yang dapat terus berinteraksi dengan protein lain, memungkinkan pensinyalan terkait memori bertahan bahkan setelah sinyal kalsium awal memudar.

"Film AFM berkecepatan tinggi kami menunjukkan bagaimana CaMKII mengorganisir ulang dirinya sendiri pada tingkat molekuler untuk menstabilkan sinyal memori," kata Shibata. "Subunit β bertindak seperti jangkar yang menahan enzim dalam konfigurasi aktif yang mendukung memori."

Pendekatan eksperimental

• Para peneliti menggabungkan teknik struktural dan biokimia canggih untuk mengungkap mekanismenya:
• AFM berkecepatan tinggi: Menangkap gerakan waktu nyata subunit CaMKII pada resolusi nanometer.
• Uji biokimia: Mengukur aktivasi enzim dan defosforilasi dalam kondisi yang berbeda.
• Pemodelan AlphaFold3: Memprediksi bentuk dan interaksi dimer subunit β yang terbentuk selama aktivasi. 
• Pendekatan terintegrasi ini mengungkapkan bagaimana subunit CaMKIIβ menstabilkan keadaan aktif dan membantu mempertahankan memori struktural yang mendasari potensiasi jangka panjang (LTP)—fondasi seluler pembelajaran.

Implikasi dan langkah selanjutnya

Temuan ini memberikan wawasan baru tentang arsitektur molekuler memori dan membuka kemungkinan untuk mempelajari bagaimana mutasi atau ketidakseimbangan subunit dalam CaMKII berkontribusi pada gangguan neurologis dan psikiatris.

Tim berencana untuk memperluas studi HS-AFM mereka untuk mengamati bagaimana CaMKII berinteraksi dengan filamen aktin dan reseptor sinaptik seperti NMDAR, yang menghubungkan aktivitas enzim dengan perubahan dalam bentuk dan konektivitas neuronal.

Glosarium

• CaMKII: Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II, enzim otak kunci yang terlibat dalam pembelajaran dan memori.
• HS-AFM: Mikroskop gaya atom berkecepatan tinggi, metode pencitraan yang kuat untuk mengamati gerakan molekuler secara waktu nyata.
• Subunit: Molekul protein tunggal yang membentuk bagian dari kompleks yang lebih besar.
• Fosforilasi: Modifikasi kimia yang menyalakan atau mematikan enzim.
• Heterooligomer: Kompleks molekuler yang terbuat dari dua atau lebih jenis subunit yang berbeda.

Referensi

Keisuke Matsushima, Takashi Sumikama, Taisei Suzuki, Mizuho Ito, Yutaro Nagasawa, Ayumi Sumino, Holger Flechsig, Tomoki Ogoshi, Kenichi Umeda, Noriyuki Kodera, Hideji Murakoshi, and Mikihiro Shibata. "Structural dynamics of mixed-subunit CaMKIIα/β heterododecamers filmed by high-speed AFM."

Nature Communications 16, 10603 (2025).

DOI: 10.1038/s41467-025-66527-9

URL: https://www.nature.com/articles/s41467-025-66527-9 

Pendanaan

Pekerjaan ini didukung oleh World Premier International Research Center Initiative (WPI), Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Olahraga, Sains dan Teknologi (MEXT), Jepang, JSPS KAKENHI (JP24K21942, JP25H00972, JP22H04926 Advanced Bioimaging Support (ABiS) , JP23H0424, JP24H01298), dan hibah dari Mochida Memorial Foundation for Medical and Pharmaceutical Research, Uehara Memorial Foundation, Naito Foundation, JST CREST (JPMJCR1762 untuk N.K. dan H.F.), JST SPRING (JPMJSP2135), dan JST ERATO (JPMJER2403).

Kontak

Kimie Nishimura (Ms.)
Project Planning and Outreach, NanoLSI Administration Office
Nano Life Science Institute, Kanazawa University
Kakuma-machi, Kanazawa 920-1192, Jepang
Email: [email protected] 

Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Universitas Kanazawa

Memahami mekanisme nanoskala dari fenomena kehidupan dengan mengeksplorasi "wilayah nano yang belum dipetakan." Sel adalah unit dasar kehidupan. Di NanoLSI, para peneliti mengembangkan teknologi nanoprobe yang memungkinkan pencitraan langsung, analisis, dan manipulasi biomolekul seperti protein dan asam nukleat di dalam sel hidup. Dengan memvisualisasikan proses-proses ini pada skala nano, institut berupaya untuk mengungkap prinsip-prinsip fundamental kehidupan dan penyakit.

https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/ 

Tentang World Premier International Research Center Initiative (WPI)

Program WPI diluncurkan pada tahun 2007 oleh Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Olahraga, Sains dan Teknologi Jepang (MEXT) untuk membina pusat penelitian kelas dunia dengan lingkungan penelitian yang luar biasa. Pusat-pusat WPI menikmati tingkat otonomi yang tinggi, memungkinkan manajemen inovatif dan kolaborasi global. Program ini dikelola oleh Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).

Portal Berita WPI: https://www.eurekalert.org/newsportal/WPI

Situs program WPI utama: www.jsps.go.jp/english/e-toplevel

Tentang Universitas Kanazawa

Didirikan pada tahun 1862 di Prefektur Ishikawa, Universitas Kanazawa adalah salah satu universitas nasional komprehensif terkemuka di Jepang dengan sejarah yang mencakup lebih dari 160 tahun. Dengan kampus di Kakuma dan Takaramachi–Tsuruma, universitas menjunjung tinggi prinsip panduan sebagai "universitas riset yang didedikasikan untuk pendidikan, sambil membuka pintunya untuk masyarakat lokal dan global."

Diakui secara internasional untuk institut penelitiannya, termasuk Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) dan Cancer Research Institute, Universitas Kanazawa mempromosikan penelitian interdisipliner dan kolaborasi global, mendorong kemajuan dalam kesehatan, keberlanjutan, dan budaya.

http://www.kanazawa-u.ac.jp/en/

Lihat konten asli:https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-high-speed-afm-imaging-reveals-how-brain-enzyme-forms-dodecameric-ring-structure-302649514.html

SUMBER Universitas Kanazawa