Сигналы между синапсом и ядром

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
1 Моя самая первая книга, вышедшая много лет назад, была посвящена вопросам биохимии. Пытаясь рассказать, как проводятся биохимические исследования, я рискнул сравнить лабораторию с кухней. Мне казалось, что по-настоящему необычное в нашей работе состоит в том, что мы используем такие мощные аппараты, как центрифуги, способные создавать гравитационное поле порядка полумиллиона g и больше, такие чрезвычайно опасные агенты, как радиоизотопы и высокоактивные токсины, можем измерять неуловимо малые количества вещества в миллиардные доли грамма, тогда как наши общие принципы разделения и манипуляций с материалами прекрасно знакомы любой хозяйке, умеющей приготовить соус или испечь пирог.

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 риз пресинаптического участка и взаимодействует с рецептором на постси-наптической 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).
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 10.5.
Наиболее интересны структурные белки, ибо именно они непосредственно изменяют клетку, а ранние гены и механизм их действия относятся уже к молекулярно-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.
Я не молекулярный биолог, и мне никогда не пришло бы в голову осваивать методы, необходимые для оценки активности ранних генов, если бы к нам в лабораторию не приехал вдруг из Москвы молодой специалист в этой области Костя Анохин (внук ученика Павлова, психолога и физиолога Петра Анохина, чью "теорию функциональных систем" я упоминал в главе 9). В распоряжении Кости были специфические "зонды", используемые в таких методах, и он проявлял большую тягу к экспериментальной работе. В течение нескольких недель после его приезда мы показали, что через полчаса после обучения

(т. е. примерно в то же время, когда изменялось фосфорили-рование мембранных белков) в клетках IMHV резко возрастало образование пептидов c-fos и c-jun. Таким образом, мы обнаружили жизненно важный этап на пути от синапса к ядру [11].
Если не считать этих сложностей, вся остальная биохимическая часть работы сравнительно проста. В одной из моих первых серий экспериментов на модели пассивного избегания (после того как я закончил работу с Мэри и еще не установил, что изменения происходят в IMHV и LPO) я исследовал влияние обучения на общий белковый синтез с использованием метода предшественников, описанного в одной из предыдущих глав. Спустя 30 минут после обучения и на протяжении последующих суток я наблюдал усиление синтеза белков в областях мозга, включавших и IMHV.

Этот результат согласовался с известным амнестическим эффектом ингибиторов белкового синтеза. Однако я полагал, что значительная часть этого синтеза могла быть связана с образованием новых синапсов или модификацией старых, поэтому нужно было исследовать не белки вообще, а белки синаптических мембран.
Многие из самых важных и 'Характерных белков синаптических мембран относятся к классу гликопротеинов, которые можно описать как молекулы, состоящие из двух частей: длинной цепи аминокислот, погруженной в клеточную мембрану, и еще одной цепочки из молекул Сахаров (например, глюкозы, фукозы и галактозы), выступающей из мембран во внеклеточное пространство. Цепочки Сахаров "липкие": когда одна из них находит подходящую цепочку, выступающую над мембраной соседней клетки, они "узнают" друг друга и соединяются. Таким образом, гликопротеины служат узнающими молекулами, и я полагал, что если синапсы специфические места узнавания и соединения клеток действительно изменяются при обучении, то гликопротеины должны играть в этом не последнюю роль.

Эксперимент, которым я был занят, когда начал писать эту книгу, и о котором рассказал в главе 2, как раз и проводился с использованием фукозы одного из предшественников гликопротеинов.
Еще в 1980 году мы показали, что наряду с включением аминокислот в белки в первые сутки после обучения усиливается и включение фукозы в гликопротеины пре- и постсинаптических мембран. Сложность состояла в том, что гликопротеины чрезвычайно трудно поддаются анализу и, кроме того, в этих
мембранах существует множество различных типов гликопро-теинов. В последнее десятилетие мы потратили очень много времени на трудоемкие и зачастую весьма неблагодарные попытки идентифицировать эти белковые соединения (мы пытались даже получить специфические антитела, способные их узнавать). Все, что я на данный момент знаю, во всяком случае все, о чем стоит упомянуть, это то, что в пре- и постсинаптических мембранах имеется целый ряд гликопроте-инов разного молекулярного веса, участвующих в формировании у цыплят реакции на бусину [12].
Ход изменений во времени.
Б. Биохимия переходит в морфологию
Если верна гипотеза об участии гликопротеинов в той или иной форме перестройки синапсов, то нельзя ли в самом деле наблюдать эти изменения в нейронах IMHV? Не так уж трудно приготовить препараты мозговой ткани для изучения в обычном микроскопе (максимальное увеличение в несколько тысяч раз) или с помощью электронного микроскопа (увеличение в сотни тысяч раз). Гораздо сложнее перейти от визуальной качественной оценки микроскопического изображения к количественным характеристикам тех или иных компонентов в изучаемом объекте. Если при обучении не образуется чего-то совершенно нового, на препаратах будут скорее всего заметны лишь небольшие изменения в числе, форме или распределении уже существовавших структур, в частности синапсов.

При световой микроскопии нельзя увидеть отдельные синапсы, но можно окрасить нейроны и рассмотреть строение их дендритов, чтобы выявить возникшие изменения.

Содержание раздела