Открытие о работе важных ферментов мозга удивило ученых

Совершив новый прорыв в изучении мозга млекопитающих, ученые сделали невероятное открытие. Они выяснили, что жизненно важный фермент, который обеспечивает сигналы мозга, включается и выключается случайным образом, даже при многочасовых «перерывах в работе». Эти открытия могут оказать большое влияние на наше понимание мозга и разработку фармацевтических препаратов.

Миллионы нейронов постоянно обмениваются сообщениями друг с другом, формируя мысли и воспоминания. Когда два нейрона встречаются для обмена сообщениями, нейротрансмиттеры передаются от одного нейрона к другому с помощью уникального фермента.

Этот процесс имеет решающее значение для нейронной связи и выживания всех сложных организмов. До сих пор ученые во всем мире считали, что эти ферменты постоянно активны и непрерывно передают важные сигналы. Но оказалось, что это далеко не так.

Используя инновационный метод, исследователи с химического факультета Копенгагенского университета внимательно изучили фермент и обнаружили, что его активность включается и выключается через случайные промежутки времени, что противоречит предыдущему пониманию.

«Это было впервые, когда кто-либо изучал эти ферменты мозга млекопитающих по одной молекуле за раз, и мы в восторге от результата. Вопреки распространенному мнению и в отличие от многих других белков, эти ферменты могут перестать работать от нескольких минут до нескольких часов. Тем не менее, мозг человека и других млекопитающих чудесным образом способен функционировать», — говорит профессор Димитриос Стамоу, который руководил исследованием.

До сих пор такие исследования проводились с очень стабильными ферментами бактерий. Используя новый метод, исследователи впервые изучили ферменты млекопитающих, выделенные из мозга крыс.

Переключение ферментов может иметь далеко идущие последствия для нейронной коммуникации

Нейроны общаются с помощью нейротрансмиттеров. Для передачи сообщений между двумя нейронами нейротрансмиттеры сначала закачиваются в небольшие мембранные пузыри (так называемые синаптические пузырьки). Пузыри действуют как контейнеры, которые хранят нейротрансмиттеры и высвобождают их между двумя нейронами только тогда, когда приходит время доставить сообщение.

Центральный фермент этого исследования, известный как V-ATPase, отвечает за поставку энергии для насосов нейротрансмиттеров в этих контейнерах. Без него нейротрансмиттеры не будут закачиваться в контейнеры, а контейнеры не смогут передавать сообщения между нейронами.

Но исследование показывает, что в каждом контейнере находится только один фермент; когда этот фермент выключится, не будет больше энергии для загрузки нейротрансмиттеров в контейнеры. Это совершенно новое и неожиданное открытие.

«Почти непостижимо, что крайне важный процесс загрузки нейротрансмиттеров в контейнеры делегирован только одной молекуле на контейнер. Особенно, когда мы обнаруживаем, что в 40% случаев эти молекулы выключены», — говорит Димитриос Стамоу.

Эти выводы вызывают множество интригующих вопросов:

«Означает ли отключение источника энергии контейнеров, что многие из них действительно пусты от нейротрансмиттеров? Будет ли большая часть пустых контейнеров существенно влиять на связь между нейронами? Или это может быть совершенно новый способ кодирования важной информации в мозге? Только время покажет», — говорит он.

V-ATPase (АТФаза вакуолярного типа) — это ферменты, расщепляющие молекулы АТФ и перекачивающие протоны через клеточные мембраны.
Они обнаружены во всех клетках и необходимы для контроля рН/кислотности внутри и/или снаружи клеток.
В нейрональных клетках градиент протонов, создаваемый V-ATPase, обеспечивает энергию для загрузки нейрохимических мессенджеров, называемых нейротрансмиттерами, в синаптические везикулы для последующего высвобождения в синаптических соединениях.

Революционный метод скрининга лекарств на V-ATPase.

Фермент V-ATPase является важной мишенью для лекарств, поскольку он играет решающую роль в развитии рака, метастазов рака и некоторых других опасных для жизни заболеваний. Таким образом, V-ATPase является мишенью для разработки противоопухолевых препаратов.

Существующие тесты для скрининга лекарств на V-ATPase основаны на одновременном усреднении сигнала от миллиардов ферментов. Знания среднего эффекта лекарства достаточно, если фермент постоянно работает во времени или когда ферменты работают вместе в большом количестве.

«Однако теперь мы знаем, что ни то, ни другое не обязательно верно для V-ATPase. В результате внезапно стало критически важно иметь методы, которые измеряют поведение отдельных V-ATPase, чтобы понять и оптимизировать желаемый эффект лекарства», — говорят ученые.

Разработанный в исследовании метод является первым в истории, который может измерять влияние лекарств на протонную перекачку отдельных молекул V-ATPase. Он может обнаруживать токи, более чем в миллион раз меньшие, чем все существующие методы.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.