金泽大学研究：高速原子力显微镜成像揭示脑部酵素如何形成十二聚体环状结构

KANAZAWA, Jepun, 26 Dis. 2025 /PRNewswire/ — Saintis di Institut Sains Kehidupan Nano (WPI-NanoLSI), Universiti Kanazawa, telah merakam imej masa nyata yang menunjukkan bagaimana enzim otak utama menyusun dirinya untuk membantu pembentukan ingatan. Kajian mereka yang diterbitkan dalam Nature Communications, mendedahkan bahawa enzim CaMKII membentuk struktur subunit campuran α/β yang interaksinya menstabilkan isyarat berkaitan pembelajaran dalam neuron.

Suis molekul untuk pembelajaran

Salah satu enzim otak yang paling penting untuk pembelajaran dan ingatan ialah protein kinase II bergantung kepada Ca²⁺/calmodulin (CaMKII). Enzim ini bertindak seperti suis molekul, menghidupkan dan mematikan isyarat untuk membantu sel saraf mengukuhkan sambungan mereka — proses yang dikenali sebagai keplastikan sinaptik.

Apabila kita belajar, pautan antara neuron, yang dipanggil sinaps, diperkukuh. CaMKII memacu perubahan ini dengan menyusun semula dan mengaktifkan molekul di dalam sinaps ini.

CaMKII terdiri daripada 12 subunit protein yang disusun dalam bentuk cincin. Dua jenis subunit — α (alfa) dan β (beta) — bercampur dalam jumlah yang berbeza di pelbagai kawasan otak. Saintis telah lama mengesyaki bahawa keseimbangan tepat antara kedua-dua bentuk ini penting untuk pembentukan ingatan, tetapi sehingga kini, tiada siapa yang benar-benar melihat bagaimana subunit α dan β bergabung dan berfungsi bersama di dalam struktur enzim.

Merakam pergerakan molekul

Menggunakan mikroskopi daya atom berkelajuan tinggi (HS-AFM), pasukan Universiti Kanazawa yang diketuai oleh Mikihiro Shibata merakam pergerakan dinamik CaMKII pada tahap molekul tunggal. Imej mendedahkan bahawa subunit α dan β bercampur dalam cincin 12 unit dengan nisbah 3:1, hampir sepadan dengan komposisi semula jadi yang terdapat dalam otak hadapan mamalia.

Para penyelidik juga mendapati bahawa subunit β lebih suka meletakkan diri mereka bersebelahan antara satu sama lain, dengan kebarangkalian bersebelahan 83%, membentuk kelompok kecil dalam struktur cincin enzim.

Ingatan molekul yang stabil

Apabila enzim diaktifkan oleh kalsium dan calmodulin—isyarat yang dikaitkan dengan aktiviti neuron—subunit β bersebelahan ini membentuk 'kompleks domain kinase' yang stabil yang berterusan untuk tempoh yang lama.

Struktur ini mengurangkan aktiviti pemangkin keseluruhan enzim tetapi mengekalkan permukaan terbuka yang boleh terus berinteraksi dengan protein lain, membolehkan isyarat berkaitan ingatan berterusan walaupun selepas isyarat kalsium awal pudar.

"Filem AFM berkelajuan tinggi kami menunjukkan bagaimana CaMKII menyusun semula dirinya pada tahap molekul untuk menstabilkan isyarat ingatan," kata Shibata. "Subunit β bertindak seperti sauh yang menahan enzim dalam konfigurasi aktif yang menyokong ingatan."

Pendekatan eksperimen

• Para penyelidik menggabungkan teknik struktur dan biokimia canggih untuk mendedahkan mekanisme:
• AFM berkelajuan tinggi: Merakam pergerakan masa nyata subunit CaMKII pada resolusi nanometer.
• Asai biokimia: Mengukur pengaktifan enzim dan defosforilasi dalam keadaan berbeza.
• Pemodelan AlphaFold3: Meramalkan bentuk dan interaksi dimer subunit β yang terbentuk semasa pengaktifan. 
• Pendekatan bersepadu ini mendedahkan bagaimana subunit CaMKIIβ menstabilkan keadaan aktif dan membantu mengekalkan ingatan struktur yang menjadi asas kepada potensiasi jangka panjang (LTP)—asas selular pembelajaran.

Implikasi dan langkah seterusnya

Penemuan ini memberikan wawasan baharu tentang seni bina molekul ingatan dan membuka kemungkinan untuk mengkaji bagaimana mutasi atau ketidakseimbangan subunit dalam CaMKII menyumbang kepada gangguan neurologi dan psikiatrik.

Pasukan ini merancang untuk melanjutkan kajian HS-AFM mereka untuk memerhatikan bagaimana CaMKII berinteraksi dengan filamen aktin dan reseptor sinaptik seperti NMDAR, yang menghubungkan aktiviti enzim kepada perubahan dalam bentuk dan kesambungan neuron.

Glosari

• CaMKII: Protein kinase II bergantung kepada Ca²⁺/calmodulin, enzim otak utama yang terlibat dalam pembelajaran dan ingatan.
• HS-AFM: Mikroskopi daya atom berkelajuan tinggi, kaedah pengimejan yang berkuasa untuk memerhatikan pergerakan molekul dalam masa nyata.
• Subunit: Molekul protein tunggal yang membentuk sebahagian daripada kompleks yang lebih besar.
• Fosforilasi: Pengubahsuaian kimia yang menghidupkan atau mematikan enzim.
• Heterooligomer: Kompleks molekul yang terdiri daripada dua atau lebih jenis subunit yang berbeza.

Rujukan

Keisuke Matsushima, Takashi Sumikama, Taisei Suzuki, Mizuho Ito, Yutaro Nagasawa, Ayumi Sumino, Holger Flechsig, Tomoki Ogoshi, Kenichi Umeda, Noriyuki Kodera, Hideji Murakoshi, dan 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 

Pembiayaan

Kerja ini disokong oleh Inisiatif Pusat Penyelidikan Antarabangsa Premier Dunia (WPI), Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Sukan, Sains dan Teknologi (MEXT), Jepun, JSPS KAKENHI (JP24K21942, JP25H00972, JP22H04926 Advanced Bioimaging Support (ABiS) , JP23H0424, JP24H01298), dan geran daripada Yayasan Memorial Mochida untuk Penyelidikan Perubatan dan Farmaseutikal, Yayasan Memorial Uehara, Yayasan Naito, JST CREST (JPMJCR1762 kepada N.K. dan H.F.), JST SPRING (JPMJSP2135), dan JST ERATO (JPMJER2403).

Hubungan

Kimie Nishimura (Cik)
Perancangan Projek dan Jangkauan, Pejabat Pentadbiran NanoLSI
Institut Sains Kehidupan Nano, Universiti Kanazawa
Kakuma-machi, Kanazawa 920-1192, Jepun
E-mel: [email protected] 

Institut Sains Kehidupan Nano (WPI-NanoLSI), Universiti Kanazawa

Memahami mekanisme berskala nano fenomena kehidupan dengan meneroka "alam nano yang belum dipetakan." Sel adalah unit asas kehidupan. Di NanoLSI, penyelidik membangunkan teknologi nanoprobe yang membolehkan pengimejan langsung, analisis, dan manipulasi biomolekul seperti protein dan asid nukleik di dalam sel hidup. Dengan memvisualisasikan proses ini pada skala nano, institut ini berusaha untuk mendedahkan prinsip asas kehidupan dan penyakit.

https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/ 

Mengenai Inisiatif Pusat Penyelidikan Antarabangsa Premier Dunia (WPI)

Program WPI dilancarkan pada tahun 2007 oleh Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Sukan, Sains dan Teknologi (MEXT) Jepun untuk memupuk pusat penyelidikan bertaraf dunia dengan persekitaran penyelidikan yang cemerlang. Pusat WPI menikmati tahap autonomi yang tinggi, membolehkan pengurusan inovatif dan kerjasama global. Program ini ditadbir oleh Persatuan Jepun untuk Promosi Sains (JSPS).

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

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

Mengenai Universiti Kanazawa

Ditubuhkan pada tahun 1862 di Wilayah Ishikawa, Universiti Kanazawa adalah salah satu universiti nasional komprehensif terkemuka Jepun dengan sejarah menjangkau lebih daripada 160 tahun. Dengan kampus di Kakuma dan Takaramachi–Tsuruma, universiti ini menegakkan prinsip panduan "universiti penyelidikan yang didedikasikan untuk pendidikan, sambil membuka pintunya kepada masyarakat tempatan dan global."

Diiktiraf di peringkat antarabangsa untuk institut penyelidikannya, termasuk Institut Sains Kehidupan Nano (WPI-NanoLSI) dan Institut Penyelidikan Kanser, Universiti Kanazawa menggalakkan penyelidikan antara disiplin dan kerjasama global, memacu kemajuan dalam kesihatan, kemampanan, dan budaya.

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

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

SUMBER Universiti Kanazawa