Один из главных регуляторов суточных ритмов напрямую стимулирует в синапсах белок, от которого зависит сила межнейронного соединения.

Наверняка многие ловили себя на том, что голова как будто по-разному работает в разное время дня. Никаких «как будто» – она действительно работает по-разному, и дело не только в усталости, но и в суточных, или циркадных, ритмах. Молекулярное воплощение суточных ритмов – это несколько специальных генов и кодируемых ими белков; их активность в течение суток то повышается, то понижается. Поскольку сами суточные гены и белки влияют на работу множества других молекул, то вместе с ними меняется активность целого спектра генов.

Выращенный в клеточной культуре гиппокампальный нейрон с выступами-шипиками (окрашены зелёным) в тех местах дендритного отростка, где он готов образовать синапсы с другими нейронами. (Фото: skdevitt / Flickr.com) 

Несколько лет назад мы писали про эксперименты с мышами, которые лучше или хуже запоминали незнакомые предметы в зависимости от времени суток. Тогда удалось показать, что изменения памяти зависят от белка BMAL1, одного из главных часовых белков. Но одно дело – установить взаимосвязь, и другое дело – расшифровать механизм этой взаимосвязи. Тогда же получилось выяснить, что BMAL1 стимулирует работу дофаминовых рецепторов, и что с его помощью происходят модификации некоторых сигнальных молекул в клетках гиппокампа (а гиппокамп, как мы знаем, представляет собой один из главных центров памяти мозга).

В новой статье, опубликованной в Science Advances, сотрудники Бостонской детской больницы добавляют новых молекулярных подробностей. Здесь тоже занимались гиппокампом, наблюдая за тем, что происходит с его синапсами. Эффективность обучения, сила памяти зависят от того, как появляются новые нейронные цепочки и как распадаются старые. Нейронные цепи образуются благодаря межнейронным соединениям-синапсам, но сами синапсы могут быть сильнее или слабее. Усиливаются они под действием нейронных импульсов, но нейронный импульс не сам по себе усиливает синапс, там работают много разных белков. Один из главных белков, которые управляют синапсами, это фермент CaMKIIα. Он относится к семейству киназ, которые стимулируют активность других белков, присоединяя к ним остатки фосфорной кислоты. Активируя белки в синапсе, CaMKIIα увеличивает площадь – и надёжность – синаптического контакта.

Сам CaMKIIα зависит от других молекул и факторов, в частности, от ионов кальция. И, как оказалось, от часового белка BMAL1, который активирует CaMKIIα так же, как тот активирует другие белки, то есть навешивая на него фосфатный остаток. В каком-то смысле для исследователей это стало неожиданностью, потому что ожидалось, что BMAL1 будет действовать через изменения в активности генов, а он, оказывается, просто напрямую взаимодействует с одним из «смотрителей синапсов». Количество в синапсах BMAL1 меняется в течение дня так же, как в других частях клетки, соответственно, он в течение дня будет по-разному стимулировать CaMKIIα. А значит, и синапсы будут работать с разной эффективностью, и нейронные цепи будут по-разному воспринимать информацию.

Все высшие когнитивные функции довольно затратны с энергетической точки зрения. В том, что они подчинены суточным ритмам, можно увидеть попытку как-то оптимизировать расход энергии на память, обучение и пр. (Есть основания полагать, что BMAL1 влияет на синапсы и в мозжечке, и в коре полушарий, которые чем только не занимаются.) Фосфорилирование белков – реакция сравнительно простая, хорошо изученная, и, возможно, удастся быстро подобрать какие-нибудь особые лекарства, которые будут специфически стимулировать взаимодействие суточного BMAL1 и CaMKIIα, улучшая память, когда это нужно.