أبحاث جامعة كانازاوا: التصوير عالي السرعة بالمجهر الذري يكشف كيفية تكوين إنزيم الدماغ لبنية حلقية ثنائية عشرية

كانازاوا، اليابان، 26 ديسمبر 2025 /PRNewswire/ — التقط علماء في معهد علوم الحياة النانوية (WPI-NanoLSI)، جامعة كانازاوا، صورًا في الوقت الفعلي تُظهر كيف ينظم إنزيم دماغي رئيسي نفسه للمساعدة في تكوين الذاكرة. كشفت دراستهم، المنشورة في Nature Communications، أن الإنزيم CaMKII يشكل بنى وحدات فرعية مختلطة α/β تعمل تفاعلاتها على تثبيت الإشارات المرتبطة بالتعلم في الخلايا العصبية.

مفتاح جزيئي للتعلم

واحد من أهم إنزيمات الدماغ للتعلم والذاكرة هو كيناز البروتين المعتمد على Ca²⁺/كالمودولين II (CaMKII). يعمل هذا الإنزيم كمفتاح جزيئي، يقوم بتشغيل وإيقاف الإشارات لمساعدة الخلايا العصبية على تقوية روابطها — وهي عملية تُعرف باسم المرونة المشبكية.

عندما نتعلم، تتعزز الروابط بين الخلايا العصبية، التي تسمى نقاط الاشتباك العصبي. يدفع CaMKII هذا التغيير من خلال إعادة تنظيم وتنشيط الجزيئات داخل نقاط الاشتباك العصبي هذه.

يتكون CaMKII من 12 وحدة فرعية بروتينية مرتبة في حلقة. يتم خلط نوعين من الوحدات الفرعية — α (ألفا) و β (بيتا) — بكميات مختلفة في مناطق مختلفة من الدماغ. اشتبه العلماء منذ فترة طويلة في أن التوازن الدقيق بين هذين الشكلين مهم لتكوين الذاكرة، ولكن حتى الآن، لم يرَ أحد فعليًا كيف تتحد الوحدات الفرعية α و β وتعمل معًا داخل بنية الإنزيم.

تصوير الجزيئات في الحركة

باستخدام المجهر عالي السرعة للقوة الذرية (HS-AFM)، قام فريق جامعة كانازاوا بقيادة ميكيهيرو شيباتا بتصوير الحركات الديناميكية لـ CaMKII على مستوى الجزيء الواحد. كشفت الصور أن الوحدات الفرعية α و β تختلط داخل الحلقة المكونة من 12 وحدة بنسبة 3:1، متطابقة تقريبًا مع التركيب الطبيعي الموجود في الدماغ الأمامي للثدييات.

وجد الباحثون أيضًا أن الوحدات الفرعية β تضع نفسها بشكل تفضيلي بجوار بعضها البعض، مع احتمال تجاور بنسبة 83%، مكونة مجموعات صغيرة داخل بنية حلقة الإنزيم.

ذاكرة جزيئية مستقرة

عندما تم تنشيط الإنزيم بواسطة الكالسيوم والكالمودولين — إشارات مرتبطة بنشاط الخلايا العصبية — شكلت هذه الوحدات الفرعية β المتجاورة "مجمعات نطاق كيناز" مستقرة استمرت لفترات ممتدة.

قللت هذه البنية من النشاط التحفيزي الإجمالي للإنزيم ولكنها حافظت على سطح مفتوح يمكن أن يستمر في التفاعل مع البروتينات الأخرى، مما يسمح لإشارات الذاكرة بالاستمرار حتى بعد تلاشي إشارة الكالسيوم الأولية.

"تُظهر أفلام AFM عالية السرعة لدينا كيف يعيد CaMKII تنظيم نفسه على المستوى الجزيئي لتثبيت إشارات الذاكرة"، يقول شيباتا. "تعمل الوحدات الفرعية β كمراسٍ تحافظ على الإنزيم في تكوين نشط داعم للذاكرة."

المنهج التجريبي

• جمع الباحثون بين التقنيات الهيكلية والكيميائية الحيوية المتقدمة للكشف عن الآلية:
• AFM عالي السرعة: التقط حركات الوحدات الفرعية لـ CaMKII في الوقت الفعلي بدقة نانومترية.
• المقايسات الكيميائية الحيوية: حددت كميًا تنشيط الإنزيم وإزالة الفسفرة في ظل ظروف مختلفة.
• نمذجة AlphaFold3: توقعت شكل وتفاعلات ثنائيات الوحدات الفرعية β التي تتشكل أثناء التنشيط.
• كشفت هذه الأساليب المتكاملة كيف تعمل الوحدات الفرعية CaMKIIβ على تثبيت الحالة النشطة والمساعدة في الحفاظ على الذاكرة الهيكلية التي تقوم عليها التقوية طويلة الأمد (LTP) — الأساس الخلوي للتعلم.

الآثار والخطوات التالية

توفر النتائج رؤية جديدة في البنية الجزيئية للذاكرة وتفتح إمكانيات لدراسة كيف تساهم الطفرات أو اختلالات الوحدات الفرعية في CaMKII في الاضطرابات العصبية والنفسية.

يخطط الفريق لتوسيع دراسات HS-AFM الخاصة بهم لمراقبة كيفية تفاعل CaMKII مع خيوط الأكتين ومستقبلات المشبكية مثل NMDAR، التي تربط نشاط الإنزيم بالتغيرات في شكل واتصال الخلايا العصبية.

المصطلحات

• CaMKII: كيناز البروتين المعتمد على Ca²⁺/كالمودولين II، إنزيم دماغي رئيسي يشارك في التعلم والذاكرة.
• HS-AFM: المجهر عالي السرعة للقوة الذرية، طريقة تصوير قوية لمراقبة حركة الجزيئات في الوقت الفعلي.
• الوحدة الفرعية: جزيء بروتين واحد يشكل جزءًا من مركب أكبر.
• الفسفرة: تعديل كيميائي يقوم بتشغيل أو إيقاف الإنزيمات.
• الأوليغومر غير المتجانس: مركب جزيئي مصنوع من نوعين أو أكثر من الوحدات الفرعية المختلفة.

المرجع

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. "الديناميكيات الهيكلية للوحدات الفرعية المختلطة CaMKIIα/β heterododecamers مصورة بواسطة AFM عالي السرعة."

Nature Communications 16, 10603 (2025).

DOI: 10.1038/s41467-025-66527-9

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

التمويل

تم دعم هذا العمل من قبل مبادرة مركز الأبحاث الدولي الرائد عالميًا (WPI)، وزارة التعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا (MEXT)، اليابان، JSPS KAKENHI (JP24K21942, JP25H00972, JP22H04926 دعم التصوير الحيوي المتقدم (ABiS), JP23H0424, JP24H01298)، ومنح من مؤسسة موتشيدا التذكارية للبحوث الطبية والصيدلانية، مؤسسة أويهارا التذكارية، مؤسسة نايتو، JST CREST (JPMJCR1762 لـ N.K. و H.F.)، JST SPRING (JPMJSP2135)، و JST ERATO (JPMJER2403).

جهة الاتصال

Kimie Nishimura (السيدة)
تخطيط المشاريع والتواصل، مكتب إدارة NanoLSI
معهد علوم الحياة النانوية، جامعة كانازاوا
Kakuma-machi, Kanazawa 920-1192, اليابان
البريد الإلكتروني: nanolsi-office@adm.kanazawa-u.ac.jp 

معهد علوم الحياة النانوية (WPI-NanoLSI)، جامعة كانازاوا

فهم آليات المقياس النانوي لظواهر الحياة من خلال استكشاف "العوالم النانوية غير المكتشفة." الخلايا هي الوحدات الأساسية للحياة. في NanoLSI، يطور الباحثون تقنيات المسبار النانوي التي تمكن من التصوير المباشر والتحليل والمعالجة للجزيئات الحيوية مثل البروتينات والأحماض النووية داخل الخلايا الحية. من خلال تصور هذه العمليات على المقياس النانوي، يسعى المعهد إلى الكشف عن المبادئ الأساسية للحياة والمرض.

https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/ 

حول مبادرة مركز الأبحاث الدولي الرائد عالميًا (WPI)

تم إطلاق برنامج WPI في عام 2007 من قبل وزارة التعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا (MEXT) في اليابان لتعزيز مراكز الأبحاث ذات المستوى العالمي مع بيئات بحثية متميزة. تتمتع مراكز WPI بدرجة عالية من الاستقلالية، مما يتيح الإدارة المبتكرة والتعاون العالمي. يُدار البرنامج من قبل الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (JSPS).

بوابة أخبار WPI: https://www.eurekalert.org/newsportal/WPI

الموقع الرئيسي لبرنامج WPI: www.jsps.go.jp/english/e-toplevel

حول جامعة كانازاوا

تأسست جامعة كانازاوا في عام 1862 في محافظة إيشيكاوا، وهي واحدة من الجامعات الوطنية الشاملة الرائدة في اليابان بتاريخ يمتد لأكثر من 160 عامًا. مع الحرم الجامعي في كاكوما وتاكارماتشي-تسوروما، تحافظ الجامعة على مبدأها التوجيهي بأن تكون "جامعة بحثية مكرسة للتعليم، بينما تفتح أبوابها للمجتمع المحلي والعالمي."

معترف بها دوليًا لمعاهد أبحاثها، بما في ذلك معهد علوم الحياة النانوية (WPI-NanoLSI) ومعهد أبحاث السرطان، تعزز جامعة كانازاوا البحث متعدد التخصصات والتعاون العالمي، مما يدفع التقدم في الصحة والاستدامة والثقافة.

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

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

المصدر جامعة كانازاوا