Recherche de l'Université de Kanazawa : L'imagerie AFM à haute vitesse révèle comment l'enzyme cérébrale forme une structure en anneau dodécamérique

KANAZAWA, Japon, 26 décembre 2025 /PRNewswire/ — Des scientifiques du Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) de l'Université de Kanazawa ont capturé des images en temps réel montrant comment une enzyme cérébrale clé s'organise pour faciliter la formation de la mémoire. Leur étude, publiée dans Nature Communications, révèle que l'enzyme CaMKII forme des structures mixtes de sous-unités α/β dont les interactions stabilisent les signaux liés à l'apprentissage dans les neurones.

Un commutateur moléculaire pour l'apprentissage

L'une des enzymes cérébrales les plus importantes pour l'apprentissage et la mémoire est la protéine kinase II dépendante du Ca²⁺/calmoduline (CaMKII). Cette enzyme agit comme un commutateur moléculaire, activant et désactivant les signaux pour aider les cellules nerveuses à renforcer leurs connexions — un processus connu sous le nom de plasticité synaptique.

Lorsque nous apprenons, les liens entre les neurones, appelés synapses, sont renforcés. La CaMKII entraîne ce changement en réorganisant et en activant les molécules à l'intérieur de ces synapses.

La CaMKII est composée de 12 sous-unités protéiques disposées en anneau. Deux types de sous-unités — α (alpha) et β (bêta) — sont mélangées en différentes quantités dans diverses régions du cerveau. Les scientifiques ont longtemps soupçonné que l'équilibre précis entre ces deux formes est important pour la formation de la mémoire, mais jusqu'à présent, personne n'avait réellement vu comment les sous-unités α et β se combinent et fonctionnent ensemble à l'intérieur de la structure de l'enzyme.

Filmer les molécules en mouvement

En utilisant la microscopie à force atomique à haute vitesse (HS-AFM), l'équipe de l'Université de Kanazawa dirigée par Mikihiro Shibata a filmé les mouvements dynamiques de la CaMKII au niveau d'une seule molécule. Les images ont révélé que les sous-unités α et β se mélangent dans l'anneau de 12 unités dans un rapport de 3:1, correspondant étroitement à la composition naturelle trouvée dans le cerveau antérieur des mammifères.

Les chercheurs ont également découvert que les sous-unités β se positionnaient préférentiellement les unes à côté des autres, avec une probabilité d'adjacence de 83 %, formant de petits groupes dans la structure en anneau de l'enzyme.

Mémoire moléculaire stable

Lorsque l'enzyme a été activée par le calcium et la calmoduline—signaux associés à l'activité neuronale—ces sous-unités β adjacentes ont formé des « complexes de domaine kinase » stables qui ont persisté pendant des périodes prolongées.

Cette structure a réduit l'activité catalytique globale de l'enzyme mais a maintenu une surface ouverte qui pouvait continuer à interagir avec d'autres protéines, permettant à la signalisation liée à la mémoire de persister même après la disparition du signal calcique initial.

« Nos films AFM à haute vitesse montrent comment la CaMKII se réorganise au niveau moléculaire pour stabiliser les signaux de mémoire », explique Shibata. « Les sous-unités β agissent comme des ancres qui maintiennent l'enzyme dans une configuration active et favorable à la mémoire. »

Approche expérimentale

• Les chercheurs ont combiné des techniques structurelles et biochimiques avancées pour découvrir le mécanisme :
• AFM à haute vitesse : Capture des mouvements en temps réel des sous-unités de CaMKII à une résolution nanométrique.
• Essais biochimiques : Quantification de l'activation enzymatique et de la déphosphorylation dans différentes conditions.
• Modélisation AlphaFold3 : Prédiction de la forme et des interactions des dimères de sous-unités β qui se forment lors de l'activation. 
• Ces approches intégrées ont révélé comment les sous-unités CaMKIIβ stabilisent l'état actif et aident à maintenir la mémoire structurelle qui sous-tend la potentialisation à long terme (LTP)—la base cellulaire de l'apprentissage.

Implications et prochaines étapes

Les résultats fournissent un nouvel aperçu de l'architecture moléculaire de la mémoire et ouvrent des possibilités pour étudier comment les mutations ou les déséquilibres de sous-unités dans la CaMKII contribuent aux troubles neurologiques et psychiatriques.

L'équipe prévoit d'étendre ses études HS-AFM pour observer comment la CaMKII interagit avec les filaments d'actine et les récepteurs synaptiques tels que le NMDAR, qui relient l'activité de l'enzyme aux changements de forme et de connectivité neuronales.

Glossaire

• CaMKII : Protéine kinase II dépendante du Ca²⁺/calmoduline, une enzyme cérébrale clé impliquée dans l'apprentissage et la mémoire.
• HS-AFM : Microscopie à force atomique à haute vitesse, une méthode d'imagerie puissante pour observer le mouvement moléculaire en temps réel.
• Sous-unité : Une molécule protéique unique qui fait partie d'un complexe plus large.
• Phosphorylation : Une modification chimique qui active ou désactive les enzymes.
• Hétéro-oligomère : Un complexe moléculaire composé de deux types de sous-unités différents ou plus.

Référence

Keisuke Matsushima, Takashi Sumikama, Taisei Suzuki, Mizuho Ito, Yutaro Nagasawa, Ayumi Sumino, Holger Flechsig, Tomoki Ogoshi, Kenichi Umeda, Noriyuki Kodera, Hideji Murakoshi, et Mikihiro Shibata. « Dynamique structurelle des hétérodécamères CaMKIIα/β à sous-unités mixtes filmés par AFM à haute vitesse. »

Nature Communications 16, 10603 (2025).

DOI : 10.1038/s41467-025-66527-9

URL : https://www.nature.com/articles/s41467-025-66527-9 

Financement

Ce travail a été soutenu par la World Premier International Research Center Initiative (WPI), le ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT) du Japon, JSPS KAKENHI (JP24K21942, JP25H00972, JP22H04926 Advanced Bioimaging Support (ABiS), JP23H0424, JP24H01298), et des subventions de la Mochida Memorial Foundation for Medical and Pharmaceutical Research, de la Uehara Memorial Foundation, de la Naito Foundation, JST CREST (JPMJCR1762 pour N.K. et H.F.), JST SPRING (JPMJSP2135) et JST ERATO (JPMJER2403).

Contact

Kimie Nishimura (Mme)
Planification de projets et sensibilisation, Bureau d'administration NanoLSI
Nano Life Science Institute, Université de Kanazawa
Kakuma-machi, Kanazawa 920-1192, Japon
E-mail : nanolsi-office@adm.kanazawa-u.ac.jp 

Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Université de Kanazawa

Comprendre les mécanismes à l'échelle nanométrique des phénomènes de la vie en explorant les « nano-domaines inexplorés ». Les cellules sont les unités de base de la vie. Au NanoLSI, les chercheurs développent des technologies de nanosondes qui permettent l'imagerie directe, l'analyse et la manipulation de biomolécules telles que les protéines et les acides nucléiques à l'intérieur des cellules vivantes. En visualisant ces processus à l'échelle nanométrique, l'institut cherche à découvrir les principes fondamentaux de la vie et de la maladie.

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À propos de la World Premier International Research Center Initiative (WPI)

Le programme WPI a été lancé en 2007 par le ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT) du Japon pour favoriser des centres de recherche de classe mondiale dotés d'environnements de recherche exceptionnels. Les centres WPI bénéficient d'un haut degré d'autonomie, permettant une gestion innovante et une collaboration mondiale. Le programme est administré par la Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).

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À propos de l'Université de Kanazawa

Fondée en 1862 dans la préfecture d'Ishikawa, l'Université de Kanazawa est l'une des principales universités nationales polyvalentes du Japon avec une histoire de plus de 160 ans. Avec des campus à Kakuma et Takaramachi–Tsuruma, l'université respecte son principe directeur d'être « une université de recherche dédiée à l'éducation, tout en ouvrant ses portes à la société locale et mondiale ».

Reconnue internationalement pour ses instituts de recherche, notamment le Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) et le Cancer Research Institute, l'Université de Kanazawa promeut la recherche interdisciplinaire et la collaboration mondiale, stimulant le progrès dans les domaines de la santé, de la durabilité et de la culture.

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SOURCE Université de Kanazawa