Исследователи на примере плодовых мушек
определили, что если удалить часть белка, задействованного в процессах обучения
и памяти, то долговременная память и способность к обучению теряются.

Биологи показали, что если у мРНК, на
которой синтезируется регуляторный белок Orb2, отрезать некодирующий фрагмент,
то плодовые мушки потеряют долговременную память и способность к обучению – без
него нарушаются механизмы формирования устойчивых связей между нейронами.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ)
и опубликованного в
журнале Cells, помогут в изучении и разработке терапии аутизма, нарушений
памяти и некоторых типов рака, которые, как предполагают ученые, могут быть
связаны с нарушениями функций родственников Orb2 в мозге человека.

Нейроны, или нервные клетки, активно обмениваются
между собой информацией, дотягиваясь друг до друга отростками и передавая
импульсы в местах так называемого синаптического контакта или просто синапсах.
Они также могут надолго запоминать какие-то определенные импульсы, синтезируя
новые белки и направляя их работать к синапсам. Именно этот процесс лежит в
основе долговременной памяти и обучения.

На новое рабочее место не всегда идут именно готовые
белки – часто туда направляются мРНК (копии информации с ДНК), на матрице
которых их уже синтезируют рибосомы. Чтобы молекула благополучно добралась в
нужное место и никакие защитные системы по пути не распознали ее как нечто
ненужное и даже опасное, у нее есть вспомогательный «хвост», называемый
3'-нетранслируемой областью (3'-НТО). Он несет информацию о том, куда именно
нужно доставить молекулу, а также служит «посадочным местом» для клеточных
регуляторов, способных заблокировать или запустить синтез белка (трансляцию) на
конкретной мРНК, а то и вовсе отправить ее в утиль.

Одними из известных последовательностей,
расположенными в 3'-НТО, являются элементы цитоплазматического
полиаденилирования (CPE). Такие последовательности распознают CPEB-белки,
которые, в зависимости от биологического контекста, способны как активировать,
так и подавлять трансляцию с этой мРНК. Как правило, различные модификации
белка Orb2 (например, добавление остатка фосфорной кислоты), происходящие в
ответ на стимуляцию синапса, приводят к формированию его олигомеров. Эти
небольшие комплексы из нескольких молекул Orb2 активируют цитоплазматическое
полиаденилирование мРНК, то есть присоединение к ее 3'-концу нескольких
адениловых нуклеотидов. В результате происходит активация синтеза белка с мРНК
по поли-А-зависимому механизму.

Сотрудники Института биологии гена РАН (Москва), Института физиологии имени И. П.
Павлова РАН (Санкт-Петербург) и Первого Московского государственного медицинского университета
имени И. М. Сеченова (Москва) вместе с американскими коллегами
сосредоточились на исследовании функций 3'-НТО мРНК Orb2 – одного из семейства
CPEB-белков у плодовых мушек. Он играет важную роль в образовании половых
клеток, развитии зародышей и функционировании нервной системы – в том числе
памяти.

При помощи системы CRISPR/Cas9, позволяющей вырезать
конкретные участки ДНК, авторы удалили большую часть CPE на мРНК Orb2 и
протестировали память мутантных мух в парадигме подавления полового поведения
самцов. Этот подход к исследованию обучения мух основан на том, как самцы
запоминают свои половые неудачи: их привлекает запах самки (он меняется в
зависимости от возраста и состояния насекомого), и они начинают ее
преследовать, вибрировать крыльями и пытаться совокупиться. Если самка уже
оплодотворена, самцы потерпят неудачу, запомнят это и больше не будут пытаться
ухаживать за самками с таким «беременным» запахом.

Результаты эксперимента показали, что кратковременная
и среднесрочная память самцов-мутантов не пострадали – они и сразу после
тренировки, и спустя пять часов не предпринимали новых попыток ухаживания,
однако уже через два дня забыли о конфузе и возобновляли прежнее поведение.

В поисках объяснения исследователи обратились к
методам молекулярной биологии и проанализировали содержание белка Orb2 в
нейронах мутантов, а также его распределение в разных частях клетки. Оказалось,
что его концентрация в мозге мух снизилась на 30 %, причем в телах нейронов она
была сопоставима с группой контроля, в то время как в синаптической части его
содержание у мутантов снизилось почти в три раза.

Распределение белка Orb2 в мозге
дрозофилы: WT – дикий тип, orb2R – мутанты. Препараты мечены антителами против
белка Orb2 (зеленый) и DAPI (синий). Источник: Kozlov et al. / Cells, 2023.

В чем причина – в том, что мРНК Orb2 не может
попасть в синапсы, или же не происходит активация локальной трансляции в
присинаптической части клетки – вопрос открытый. Однако в любом случае белок
Orb2 на своем рабочем месте не мог должным образом взаимодействовать с
РНК-мишенями – таких, по расчетам авторов, порядка 3 тысяч. Так, биологи
проверили содержание в разных частях клетки белков Csp, Pyd, Eya, чьи мРНК
являются потенциальными целями для регуляции со стороны Orb2, и которые играют
важную роль в процессах передачи нервного импульса и организации синапсов.
Выяснилось, что распределение этих белков также патологически изменилось, что
может быть одной из причин в нарушении способности мух к обучению.

«Нам еще предстоит выяснить, какова
функциональная значимость 3'-НТО Orb2 и для каких этапов внутриклеточного
распределения белков он важен, – рассказывает исполнитель проекта,
поддержанного грантом РНФ, первый автор работы Евгений Козлов,
кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории регуляции экспрессии
генов в развитии ИБГ РАН. – СPEB-белки широко распространены среди эукариот,
включая млекопитающих: у человека описано четыре представителя белков семейства
CPEB, и для трех из них показано участие в процессах научения и формирования
памяти. Нарушения функционирования CPEB-белков связывают с расстройствами
аутического спектра и глиомами головного мозга. Изучение их роли имеет значение
как для углубления понимания работы нервной системы в целом, так и для поиска
новых методов и мишеней для терапии различного рода когнитивных расстройств».

Источник: пресс-служба РНФ.