Эрик Кандель - В поисках памяти

Открытие продемонстрировало нам одно важное свойство вычислительных способностей нервной системы. Оно показало, что, хотя нейрон может образовывать тысячу или больше синаптических связей с разными клетками-мишенями, отдельные синапсы могут видоизменяться независимо при формировании как кратковременной, так и долговременной памяти. Независимость долговременной деятельности синапсов дает нейрону необычайную вычислительную пластичность.

Но чем обеспечивается эта поразительная избирательность? Мы рассмотрели два возможных ответа: что нейрон направляет информационную РНК и белки только к тем синапсам, которые маркированы для формирования долговременной памяти, и что информационная РНК и белки поступают ко всем синапсам нейрона, но только маркированные синапсы могут использовать их для отращивания новых окончаний. Начали мы со второй гипотезы, потому что ее было проще проверить.

Что же позволяет осуществлять эту «маркировку для роста»? Келси установила, что в маркированном синапсе должны происходить две вещи. Первая — просто активация протеинкиназы А. Если в области синапса не активируется протеинкиназа А, никакого усиления связи вообще не происходит. Вторая — активация механизма, управляющего локальным синтезом белков. Это было совершенно неожиданное открытие, позволившее по-новому взглянуть на одну замечательную область клеточной нейробиологии, которую до того недооценивали и поэтому не обращали на нее особого внимания. В начале восьмидесятых годов Освальд Стьюард, теперь работающий в Калифорнийском университете в Ирвайне, обнаружил: несмотря на то что в подавляющем большинстве случаев синтез белков в нейронах происходит в теле клетки, некоторые белки синтезируются локально, непосредственно в синапсах.

Наше новое открытие указывало на то, что одна из функций локального синтеза белков состоит в поддержании долговременного усиления синаптических связей. Когда мы подавляли локальный синтез белка в области определенного синапса, процесс долговременного усиления все же запускался, и в этой области начинался рост новых окончаний с использованием белков, поступающих от тела клетки. Однако этот рост не поддерживался и через день обращался вспять. Таким образом, белков, синтезируемых в теле клетки и поступающих к окончаниям, достаточно для запускания синаптического роста, но для его поддержания необходимы белки, синтезируемые локально (рис. 19–3).

19–3. Два механизма долговременных изменений. Новые белки поступают ко всем синапсам (вверху), но только в синапсах, обрабатываемых серотонином, они вызывают отрастание новых окончаний аксона. Для поддержания роста, вызываемого экспрессией генов, необходимы белки, синтезируемые на месте.

Эти результаты позволяли по-новому взглянуть на долговременную память. Они заставляли предположить, что в ее формировании задействованы два независимых механизма. Один запускает долговременное усиление синаптических связей, направляя в ядро протеинкиназу А, которая активирует CREB-белок, тем самым включая структурные гены, кодирующие белки, необходимые для роста новых синаптических связей. Другой закрепляет сформированную память, поддерживая новообразованные синаптические окончания, для чего требуется локальный синтез белков. Так мы поняли, что запуск и поддержание обеспечиваются здесь двумя разными механизмами. Как же работает второй?

Как раз тогда, в 1999 году, в нашу лабораторию пришел Каусик Си — необычайно самобытный и способный ученый. Каусик вырос в небольшом городке в Индии, где его отец работал школьным учителем. Когда отец понял, что Каусик увлекается биологией, он попросил своего коллегу, местного учителя биологии, взять мальчика под свою опеку. Этот учитель многому научил Каусика и способствовал развитию его интереса к молекулярной генетике. Кроме того, он убедил Каусика поехать учиться в магистратуру в Соединенные Штаты, в результате чего он стал постдоком у меня в Колумбийском университете.

Диссертации Каусика на соискание степени доктора философии была посвящена синтезу белков у дрожжей, а в Колумбийском университете он занялся проблемой локального синтеза белков в нейронах аплизии. Мы знали, что молекулы информационной РНК синтезируются в ядре, а затем в определенных синапсах на их матрице происходит синтез белков. В связи с этим нужно было ответить на вопрос, поступает ли информационная РНК в окончания в активном состоянии или в неактивном, как спящая красавица, в ожидании того, что в области маркированных синапсов ее поцелует какой-то молекулярный прекрасный принц.

Каусик склонялся к гипотезе спящей красавицы. Он доказывал, что неактивные молекулы информационной РНК активируются только в том случае, если достигают соответствующим образом маркированного синапса и встречаются там с определенным сигналом. Он проводил параллель с интересным примером такой регуляции, который наблюдается в развитии лягушек. В ходе оплодотворения и созревания яйцеклетки лягушки неактивные молекулы информационной РНК пробуждаются и активируются под действием недавно открытого белка, регулирующего локальный синтез других белков. Этот белок называется CPEB (cytoplasmic polyadenylation element-binding protein — белок, связывающий элемент цитоплазматического полиаденилирования).

Мы проникали в лабиринты молекулярных механизмов памяти все глубже, и Каусику удалось выяснить, что неизвестная ранее форма CPEB-белка в нейронах аплизии и есть тот прекрасный принц, которого мы искали. Этот белок присутствует только в нервной системе, локализуется во всех синапсах нейрона, активируется серотонином, и его наличие в активированных синапсах требуется для поддержания синтеза белка и отрастания новых синаптических окончаний. Однако открытие Каусика отвечало на один вопрос, но задавало другой. Большинство белков в клетке распадается и разрушается в течение нескольких часов. Что же поддерживает рост синаптических окончаний в течение более длительного времени? Какой принципиальный механизм мог поддерживать мои воспоминания о Митци в течение всей жизни?

Внимательно изучая последовательность аминокислот нового CPEB-белка, Каусик обнаружил весьма примечательную вещь. Один из концов цепочки этого белка обладал всеми признаками приона.

Прионы — это, наверное, самые странные из белков, известных современной биологии. Их открыл Стэнли Прузинер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Это были факторы, вызывающие несколько загадочных нейродегенеративных заболеваний, таких как коровье бешенство (губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота) и болезнь Кройцфельдта — Якоба у людей (именно эта болезнь стала причиной трагической смерти Ирвинга Купфермана в 2002 году — на пике его научной карьеры). Прионы отличаются от других белков тем, что их цепочки могут сворачиваться двояко, образуя две функционально различные формы или конформации: доминантную и рецессивную. Экспрессия генов, кодирующих прионы, приводит к синтезу рецессивной формы, но рёцессивная форма может превращаться в доминантную или по чистой случайности, как это, вероятно, произошло у Ирвинга, или в связи с употреблением в пищу продуктов, содержащих доминантную форму этого белка. В доминантной форме прионы могут убивать клетки собственного организма. Еще одно отличие прионов от других белков состоит в том, что их доминантная форма способна самоподдерживаться. Под действием доминантной формы рецессивная меняет конформацию и тоже превращается в доминантную, получая способность к самоподдержанию (рис. 19–4).