A hosszú memória és élet kulcsszereplői a prionok

A hosszú távú memóriát prion-szerű protein-aggregátumok tartják fenn, nyilatkozta a Nobel-díjas Eric Kandel, a Columbia University kutatója, miután munkatársaival együtt négy cikket is megjelentetett a témában a Neuron és a Cell Reports című szaklapokban. Mint a Neuron cikkében – The Persistence of Hippocampal-based Memory Requires Protein Synthesis Mediated by the Prion-like Protein CPEB3 – írják, a hosszú távú memória rögzüléséhez protein-szintézisre van szükség, és már ismerünk egyes folyamatokat, amelyek ennek szabályozásában vesznek részt, azonban eddig semmi ismeretünk nem volt azzal kapcsolatosan, hogy hogyan lehetséges a kialakult/rögzült emlékképek fenntartása, azaz a memória hosszú távú működése. Annyit tudtunk, hogy a hosszú távú memória működése során gyorsan cserélődnek a molekuláris szubsztrátok, azaz semmi nem magyarázta a hosszú távú memória alapvető sajátosságát: a perzisztenciát. Kandel és munkatársai most felfedezték, hogy az emlékek raktározása és az emlékezés működéséhez alapvetően fontos szinaptikus plaszticitás egyaránt egy prion-szerű protein szintjének növekedésének, illetve e proteinek aggregációjának következménye.

Fertőző proteinrészecskék

A vizsgálatokban megfigyelt, fiziológiás szereppel rendelkező, betegséget nem okozó funkcionális prionok hasonlóak a betegségokozó prionokhoz, amelyek szerepét többek között az emberi Creutzfeld-Jakob kór, illetve a szarvasmarhákban jelentkező kergemarhakór/spongiform encephalopathia létrehozásában mutatták ki. A prionok kóroki szerepét különböző neurodegeneratív betegségek – Alzheimer-, Parkinson- és Huntington-kór – kialakításában is feltételezik.

A kutatás során Kandel és Kausik Si először azt mutatta ki, hogy funkcionális prionok hozzájárulnak a kísérleti állat – óriás tengeri csiga, Aplysia – emlékképeinek fenntartásához, majd egérben kerestek és találtak hasonló proteint, a CPEB3-at (cytoplasmic polyadenylation element-binding protein). A továbbiakban a kutatók egerekben gyakorlással kialakították egy labirintus hosszú távú emlékképét, majd két hét múlva kiütötték az állatok CPEB3 génjét. Ennek következtében megszűnt az egerek labirintussal kapcsolatos memóriája. A kutatók ezután azt is kiderítették, milyen mechanizmus áll a CPEB3 hatása mögött. Mint a betegségokozó prionok esetében, a funkcionális prionoknak is kétféle változata van, egy olyan forma, ami oldott állapotban található, és egy olyan, ami aggregátumokat képez, magyarázza Kandell. Amikor megtanulunk valamit, azaz hosszú távú memóriát építünk ki, új szinaptikus kapcsolatok jönnek létre, és ezekben a szinapszisokban az oldott prionok aggregált prionokká alakulnak. Az aggregált proteinek aztán bekapcsolnak egy fehérjeszintézishez szükséges folyamatot, ami fenntartja a memóriát (a CPEB3 transzláció szabályozó szerepe az mRNS-eken keresztül érvényesül, ezt a folyamatot mutatja be a Cell Reports egyik cikke: SUMOylation Is an Inhibitory Constraint that Regulates the Prion-like Aggregation and Activity of CPEB3). Amíg az aggregátumok jelen vannak, a hosszú távú memória is működik. Az aggregátumok megújítják magukat: folyamatosan újonnan szintetizált oldott prionokat építenek magukba – ez a folyamatos megújítás a hosszú távú emlékezet kulcsa, hangsúlyozza Kandel, és hozzáteszi: a CPEB3-hoz hasonló fehérje emberben is létezik, ami arra utal, hogy az emberi agyban is hasonló folyamatok mehetnek végbe, azonban, mivel a hosszú távú memória komplikált folyamat, valószínűleg más tényezők is szerepet játszanak benne.

A másik két témába vágó Cell Reports-cikk:
The CPEB3 Protein Is a Functional Prion that Interacts with the Actin Cytoskeleton
MicroRNA-22 Gates Long-Term Heterosynaptic Plasticity in Aplysia through Presynaptic Regulation of CPEB and Downstream Targets

Neurodegenetatív betegségek ellen

Az öregedés során protein-aggregátumok gyűlnek fel a sejtekben, és az eddigi vélemények szerint ezek a protein-aggregátumok hozzájárulnak az idős korra jellemző neurodegeneratív betegségek – Alzheimer-, Parkinson- és Huntington-kór –  kialakulásához. Most a Max Planck Biokémiai Intézet kutatói kimutatták, hogy épp ellentétes is lehet a helyzet.

Ulrich Hartl vezető szerző és munkatársai a Caenorhabditis elegans nevű apró féreg proteomját vizsgálva feltárták, hogyan változik az állat fehérjéinek összessége – 5.000 különféle protein - az élete során (Widespread Proteome Remodeling and Aggregation in Aging C. elegans; Cell). Ennek során kiderült, hogy az öregedéssel párhuzamosan jelentősen megváltozik a sejtek fehérje-összetétele, az idő előrehaladtával a proteinek egyharmadából kétszer annyi készül, így felborul az az egyensúly, ami a sejtek normális működéséhez szükséges. Ezt követően a kutatók megnézték, hogy azok a genetikailag módosított állatok, amelyeknek az átlagosnál rövidebb, illetve hosszabb az élettartama, hogyan menedzselik ezeket a változásokat. A rövid élettartamú férgeknél a proteom egyensúlyának felborulása előbb jelentkezett és erőteljesebb volt, ezzel ellentétben, a hosszú életű változat proteomja idősebb korban is kevésbé tért el a fiatal koritól. Ami a legnagyobb meglepetést okozta: kiderült, hogy a hosszú életű férgek a felesleges fehérjéket oldhatatlan aggregátumok formájában tárolják, így lehetővé teszik a fehérje-egyensúly további fennmaradását. Továbbá az is kiderült, hogy a rövid életű állatokban talált protein-aggregátumokkal ellentétben, a hosszú életű férgek protein-aggregátumai hősokk-fehérjékkel (chaperonok) voltak dúsítva, és valószínűleg ez a tényező akadályozza meg, hogy az aggregátumok károsítsák a sejteket. Mint Hartl nyilatkozta: Az aggregátumok nem mindig kártékonyak. Ha a káros fehérjék oldhatatlan formában elrakódnak a sejtekben, azáltal a szervezet elkerülheti vagy késleltetheti az öregedéssel együtt járó neurodegenetatív betegségek kialakulását.