Мухи стали необучаемыми, потому что белок Orb2 потерял свой «хвост»

Биологи показали, что если у мРНК, на которой синтезируется регуляторный белок Orb2, отрезать некодирующий фрагмент, то плодовые мушки потеряют долговременную память и способность к обучению — без него нарушаются механизмы формирования устойчивых связей между нейронами. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованного в журнале Cells, помогут в изучении и разработке терапии аутизма, нарушений памяти и некоторых типов рака, которые, как предполагают ученые, могут быть связаны с нарушениями функций родственников Orb2 в мозге человека.

Нейроны, или нервные клетки, активно обмениваются между собой информацией, дотягиваясь друг до друга отростками и передавая импульсы в местах так называемого синаптического контакта или просто синапсах. Они также могут надолго запоминать какие-то определенные импульсы, синтезируя новые белки и направляя их работать к синапсам. Именно этот процесс лежит в основе долговременной памяти и обучения.

На новое рабочее место не всегда идут именно готовые белки — часто туда направляются мРНК (копии информации с ДНК), на матрице которых их уже синтезируют рибосомы. Чтобы молекула благополучно добралась в нужное место и никакие защитные системы по пути не распознали ее как нечто ненужное и даже опасное, у нее есть вспомогательный «хвост», называемый 3'-нетранслируемой областью (3'-НТО). Он несет информацию о том, куда именно нужно доставить молекулу, а также служит «посадочным местом» для клеточных регуляторов, способных заблокировать или запустить синтез белка (трансляцию) на конкретной мРНК, а то и вовсе отправить ее в утиль.

Одними из известных последовательностей, расположенными в 3'-НТО, являются элементы цитоплазматического полиаденилирования (CPE). Такие последовательности распознают CPEB-белки, которые, в зависимости от биологического контекста, способны как активировать, так и подавлять трансляцию с этой мРНК. Как правило, различные модификации белка Orb2 (например, добавление остатка фосфорной кислоты), происходящие в ответ на стимуляцию синапса, приводят к формированию его олигомеров. Эти небольшие комплексы из нескольких молекул Orb2 активируют цитоплазматическое полиаденилирование мРНК, то есть присоединение к ее 3'-концу нескольких адениловых нуклеотидов. В результате происходит активация синтеза белка с мРНК по поли-А-зависимому механизму.

Сотрудники Института биологии гена РАН (Москва), Института физиологии имени И. П. Павлова РАН (Санкт-Петербург) и Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Москва) вместе с американскими коллегами сосредоточились на исследовании функций 3'-НТО мРНК Orb2 — одного из семейства CPEB-белков у плодовых мушек. Он играет важную роль в образовании половых клеток, развитии зародышей и функционировании нервной системы — в том числе памяти.

При помощи системы CRISPR/Cas9, позволяющей вырезать конкретные участки ДНК, авторы удалили большую часть CPE на мРНК Orb2 и протестировали память мутантных мух в парадигме подавления полового поведения самцов. Этот подход к исследованию обучения мух основан на том, как самцы запоминают свои половые неудачи: их привлекает запах самки (он меняется в зависимости от возраста и состояния насекомого), и они начинают ее преследовать, вибрировать крыльями и пытаться совокупиться. Если самка уже оплодотворена, самцы потерпят неудачу, запомнят это и больше не будут пытаться ухаживать за самками с таким «беременным» запахом.

Результаты эксперимента показали, что кратковременная и среднесрочная память самцов-мутантов не пострадали — они и сразу после тренировки, и спустя пять часов не предпринимали новых попыток ухаживания, однако уже через два дня забыли о конфузе и возобновляли прежнее поведение.

В поисках объяснения исследователи обратились к методам молекулярной биологии и проанализировали содержание белка Orb2 в нейронах мутантов, а также его распределение в разных частях клетки. Оказалось, что его концентрация в мозге мух снизилась на 30%, причем в телах нейронов она была сопоставима с группой контроля, в то время как в синаптической части его содержание у мутантов снизилось почти в три раза.

В чем причина — в том, что мРНК Orb2 не может попасть в синапсы, или же не происходит активация локальной трансляции в присинаптической части клетки — вопрос открытый. Однако в любом случае белок Orb2 на своем рабочем месте не мог должным образом взаимодействовать с РНК- мишенями — таких, по расчетам авторов, порядка 3 тысяч. Так, биологи проверили содержание в разных частях клетки белков Csp, Pyd, Eya, чьи мРНК являются потенциальными целями для регуляции со стороны Orb2, и которые играют важную роль в процессах передачи нервного импульса и организации синапсов. Выяснилось, что распределение этих белков также патологически изменилось, что может быть одной из причин в нарушении способности мух к обучению.

«Нам еще предстоит выяснить, какова функциональная значимость 3'-НТО Orb2 и для каких этапов внутриклеточного распределения белков он важен, — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, первый автор работы Евгений Козлов, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории регуляции экспрессии генов в развитии ИБГ РАН. — СPEB-белки широко распространены среди эукариот, включая млекопитающих: у человека описано четыре представителя белков семейства CPEB, и для трех из них показано участие в процессах научения и формирования памяти. Нарушения функционирования CPEB-белков связывают с расстройствами аутического спектра и глиомами головного мозга. Изучение их роли имеет значение как для углубления понимания работы нервной системы в целом, так и для поиска новых методов и мишеней для терапии различного рода когнитивных расстройств».