Стивен Роуз - Устройство памяти. От молекул к сознанию

Пре- и постсинаптические мембраны можно выделить из IMHV методом центрифугирования, примерно так, как описано в главе 3, и исследовать их в чистом виде. Разумеется, они содержат и белки, и фосфорилирующий их фермент протеинкиназу С. Если к ничтожному количеству мембранного материала добавить радиоактивный АТФ и несколько минут инкубировать полученную смесь в крошечной пробирке, мембранные белки окажутся мечеными и фосфорилированными. Другой простой, но остроумный метод позволяет выделить отдельные белки и измерить количество радиоактивной метки в каждом из них. В этом методе используются различия в молекулярном весе и электрических свойствах между сотнями присутствующих в мембранах белков, каждый из которых несет на себе специфический набор положительных и отрицательных зарядов. Для того чтобы разделить такие белки, берут небольшую прямоугольную полоску из студенистого инертного материала — крахмального или акриламидного геля, наносят на один ее конец каплю раствора с белковой смесью и пропускают через гель электрический ток. Белки перемещаются под действием тока с разной скоростью, зависящей от их молекулярного веса и электрического заряда, и через несколько часов распределяются по всей длине полоски. Эта процедура называется, гель-электрофорезом. Гель пропитывают красителем, который окрашивает белки, и они становятся видны на бесцветном фоне геля как последовательность синих полос, похожих на линии, проведенные чернилами. Участки геля, содержащие разные белки, вырезают бритвенным лезвием и определяют их радиоактивность, или же весь гель накладывают на рентгеновскую пленку и получают радиоавтограф, точно так же как в опытах с 2-дГ [31].

В итоге получается то, что представлено на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Белки синаптических мембран. На рисунке показаны два геля. Пробы синаптических мембранных белков наносили на верхние концы гелей и в течение нескольких часов подвергали электрофорезу. При этой процедуре тысячи различных белков с разной скоростью мигрируют вдоль геля. Гель слева обработан красителем, выявляющим белки. Обратите внимание на множество полос, каждая из которых представляет один или большее число мигрирующих белков. Справа показан гель, в котором методом радиавтографии установлена локализация продуктов фосфорилирования белков левого геля. Из множества белков фосфорилированию подверглись лишь около четырех. Наиболее интенсивно окрашенная полоса в средней части геля — белок В50 с мол. массой около 50 000; это специфический пресинаптический белок, и именно он изменяется в результате обучения.

Мы измеряли фосфорилирование белков в синаптических мембранах из мозга цыплят в разные сроки после обучения и установили, что спустя 30 минут после клевания горькой бусины усиливалось фосфорилирование одного из ключевых пресинаптических белков. Это изменение не было долговременным и через три часа после обучения уже исчезало. Спустя полчаса после обучения возрастала также активность протеинкиназы С в мембранах левого IMHV [110].

Таким образом, при обучении происходило временное изменение фосфорилирования какого-то пресинаптического мембранного белка, регулируемое ферментом протеинкиназой. Но это было всего лишь преходящим сдвигом: если он и необходим для формирования долговременной памяти, его все же нельзя считать ее единственной биохимической основой. Необходимо какое-то более продолжительное событие, способное вызвать длительную перестройку синапсов. Именно для такой перестройки может понадобиться синтез новых белков.

Биосинтез белков определяется информацией, заключенной в ДНК, т. е. в генах клеточного ядра. Для образования новых белков необходимо, чтобы активировалась ДНК и нужные гены включились в работу. Поэтому изменение фосфорилирования синаптической мембраны, по-видимому приводящее к поступлению в клетку кальция, должно служить своего рода сигналом для ядерной ДНК. Сейчас мы не знаем всех деталей работы этого механизма, но к концу восьмидесятых годов стало ясно, что поступление такого сигнала в ядро активирует группу «генов раннего действия». Этот феномен впервые наблюдали в быстро делящихся раковых клетках, но вскоре была показана его универсальная природа. «Ранние» гены обеспечивают активацию других («поздних») генов и выработку в клеточном ядре инструкций для последующего синтеза ключевых структурных белков — тех, что в конце концов включаются в состав синаптической мембраны, изменяя ее строение. Структурные белки кодируются поздними генами, тогда как ранние гены ответственны лишь за образование группы промежуточных сигнальных пептидов, получивших такие варварские наименования, как c-fos и c-jun. Эти и другие подобные им пептиды воздействуют на ядерную ДНК, включая в работу надлежащие поздние гены. Этот сложный каскад сигналов схематически представлен на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Сигналы между синапсом и ядром. На рисунке изображен синапс на шипике дендрита (разумеется, без соблюдения масштаба), а также тела пресинаптического и постсинаптического нейронов. В процесе формирования памяти нейромедиатор (глутамат, показан черной стрелкой) освобождается из пресинаптического участка и взаимодействует с рецептором на постсинаптической клетке, что приводит к фосфорилированию мембранных белков (черные кружочки) протеинкиназой С (ПК) и поступлению внутрь клетки ионов кальция (Са). Кальций служит сигналом для ядра, где начинается синтез «ранних» (c-fos) и «поздних» генов, которые через РНК кодируют синтез белковых и гликопротеиновых молекул (белые кружочки), а те в свою очередь транспортируются к мембране и включаются в нее, изменяя ее форму и размеры. Параллельно аналогичный процесс запускается под действием ретроградного сигнала (светлая стрелка) в пресинаптической клетке).

Наиболее интересны структурные белки, ибо именно они непосредственно изменяют клетку, а ранние гены и механизм их действия относятся уже к молекулярио-биологическому «подсобному хозяйству», которое представляется таинственным не только большинству людей, далеких от биохимии, но и самим биохимикам. Пептиды c-fos и c-jun тоже представляют интерес, но не просто потому, что служат одним из связующих звеньев между ранними процессами в клеточной мембране и синтезом структурных белков, а потому, что становятся активными только в клетках, претерпевающих пластические изменения; их содержание и локализацию внутри клеток можно с высокой точностью определять с помощью той или иной разновидности радиоавтографического метода, описанного выше. Когда в 1989 году мы начали исследовать роль этого механизма в выработке пассивного избегания, в литературе по молекулярной нейробиологии уже высказывалось немало соображений о том, как можно было бы выявить специфическую активацию c-fos и с-jun при образовании следов памяти. Никто, однако, не поставил ключевого решающего эксперимента.