कानाज़ावा विश्वविद्यालय शोध: हाई-स्पीड AFM इमेजिंग से पता चलता है कि मस्तिष्क एंजाइम डोडेकामेरिक रिंग संरचना कैसे बनाता है

कानाज़ावा, जापान, 26 दिसंबर, 2025 /PRNewswire/ — नैनो लाइफ साइंस इंस्टीट्यूट (WPI-NanoLSI), कानाज़ावा विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने वास्तविक समय की छवियां कैप्चर की हैं जो दिखाती हैं कि एक प्रमुख मस्तिष्क एंजाइम स्मृति निर्माण में मदद के लिए खुद को कैसे व्यवस्थित करता है। Nature Communications में प्रकाशित उनके अध्ययन से पता चलता है कि एंजाइम CaMKII मिश्रित α/β सबयूनिट संरचनाएं बनाता है जिनकी परस्पर क्रिया न्यूरॉन्स में सीखने से संबंधित संकेतों को स्थिर करती है।

सीखने के लिए एक आणविक स्विच

सीखने और स्मृति के लिए मस्तिष्क के सबसे महत्वपूर्ण एंजाइमों में से एक Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) है। यह एंजाइम एक आणविक स्विच की तरह काम करता है, तंत्रिका कोशिकाओं को अपने कनेक्शन मजबूत करने में मदद करने के लिए संकेतों को चालू और बंद करता है — एक प्रक्रिया जिसे सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी के रूप में जाना जाता है।

जब हम सीखते हैं, तो न्यूरॉन्स के बीच की कड़ियां, जिन्हें सिनैप्स कहा जाता है, मजबूत होती हैं। CaMKII इन सिनैप्स के अंदर अणुओं को पुनर्गठित और सक्रिय करके इस परिवर्तन को संचालित करता है।

CaMKII 12 प्रोटीन सबयूनिट्स से बना है जो एक वलय में व्यवस्थित हैं। दो प्रकार के सबयूनिट्स — α (अल्फा) और β (बीटा) — मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों में अलग-अलग मात्रा में मिश्रित होते हैं। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से संदेह किया है कि इन दो रूपों के बीच सटीक संतुलन स्मृति निर्माण के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन अब तक, किसी ने वास्तव में नहीं देखा था कि एंजाइम की संरचना के अंदर α और β सबयूनिट्स कैसे संयोजित होते हैं और एक साथ कार्य करते हैं।

गति में अणुओं को फिल्माना

हाई-स्पीड एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (HS-AFM) का उपयोग करते हुए, मिकिहिरो शिबाता के नेतृत्व में कानाज़ावा विश्वविद्यालय की टीम ने एकल-अणु स्तर पर CaMKII की गतिशील गतिविधियों को फिल्माया। छवियों से पता चला कि α और β सबयूनिट्स 12-यूनिट वलय के भीतर 3:1 अनुपात में मिश्रित होते हैं, जो स्तनधारी अग्रमस्तिष्क में पाई जाने वाली प्राकृतिक संरचना से काफी मेल खाता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि β सबयूनिट्स अधिमानतः एक दूसरे के बगल में स्थित होते हैं, 83% निकटता की संभावना के साथ, एंजाइम की वलय संरचना के भीतर छोटे समूह बनाते हैं।

स्थिर आणविक स्मृति

जब एंजाइम को कैल्शियम और calmodulin—न्यूरोनल गतिविधि से जुड़े संकेतों—द्वारा सक्रिय किया गया था, तो ये आसन्न β सबयूनिट्स स्थिर 'किनेज डोमेन कॉम्प्लेक्स' बनाते हैं जो विस्तारित अवधि के लिए बने रहते हैं।

इस संरचना ने एंजाइम की समग्र उत्प्रेरक गतिविधि को कम कर दिया लेकिन एक खुली सतह बनाए रखी जो अन्य प्रोटीन के साथ परस्पर क्रिया जारी रख सकती है, जिससे प्रारंभिक कैल्शियम संकेत फीका होने के बाद भी स्मृति से संबंधित संकेत बना रहता है।

"हमारी हाई-स्पीड AFM मूवीज दिखाती हैं कि CaMKII स्मृति संकेतों को स्थिर करने के लिए आणविक स्तर पर खुद को कैसे पुनर्गठित करता है," शिबाता कहते हैं। "β सबयूनिट्स एंकर की तरह काम करते हैं जो एंजाइम को एक सक्रिय, स्मृति-समर्थक विन्यास में रखते हैं।"

प्रयोगात्मक दृष्टिकोण

• शोधकर्ताओं ने तंत्र को उजागर करने के लिए उन्नत संरचनात्मक और जैव रासायनिक तकनीकों को संयोजित किया:
• हाई-स्पीड AFM: नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन पर CaMKII के सबयूनिट्स की वास्तविक समय की गतिविधियों को कैप्चर किया।
• जैव रासायनिक परख: विभिन्न परिस्थितियों में एंजाइम सक्रियण और डीफॉस्फोराइलेशन को मापा।
• AlphaFold3 मॉडलिंग: सक्रियण के दौरान बनने वाले β सबयूनिट डिमर्स के आकार और परस्पर क्रियाओं की भविष्यवाणी की। 
• इन एकीकृत दृष्टिकोणों ने पता लगाया कि कैसे CaMKIIβ सबयूनिट्स सक्रिय अवस्था को स्थिर करते हैं और संरचनात्मक स्मृति को बनाए रखने में मदद करते हैं जो दीर्घकालिक पोटेंशिएशन (LTP) का आधार है—सीखने की सेलुलर नींव।

निहितार्थ और अगले कदम

निष्कर्ष स्मृति की आणविक वास्तुकला में नई अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं और इस बात का अध्ययन करने की संभावनाएं खोलते हैं कि CaMKII में उत्परिवर्तन या सबयूनिट असंतुलन न्यूरोलॉजिकल और मनोरोग संबंधी विकारों में कैसे योगदान करते हैं।

टीम अपने HS-AFM अध्ययन को विस्तारित करने की योजना बना रही है ताकि यह देखा जा सके कि CaMKII एक्टिन फिलामेंट्स और सिनैप्टिक रिसेप्टर्स जैसे NMDAR के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है, जो एंजाइम की गतिविधि को न्यूरोनल आकार और कनेक्टिविटी में परिवर्तनों से जोड़ते हैं।

शब्दावली

• CaMKII: Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II, एक प्रमुख मस्तिष्क एंजाइम जो सीखने और स्मृति में शामिल है।
• HS-AFM: हाई-स्पीड एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी, वास्तविक समय में आणविक गति का अवलोकन करने के लिए एक शक्तिशाली इमेजिंग विधि।
• सबयूनिट: एक एकल प्रोटीन अणु जो एक बड़े कॉम्प्लेक्स का हिस्सा बनता है।
• फॉस्फोराइलेशन: एक रासायनिक संशोधन जो एंजाइमों को चालू या बंद करता है।
• हेटेरोओलिगोमर: दो या अधिक विभिन्न प्रकार के सबयूनिट्स से बना एक आणविक कॉम्प्लेक्स।

संदर्भ

Keisuke Matsushima, Takashi Sumikama, Taisei Suzuki, Mizuho Ito, Yutaro Nagasawa, Ayumi Sumino, Holger Flechsig, Tomoki Ogoshi, Kenichi Umeda, Noriyuki Kodera, Hideji Murakoshi, and Mikihiro Shibata. "Structural dynamics of mixed-subunit CaMKIIα/β heterododecamers filmed by high-speed AFM."

Nature Communications 16, 10603 (2025).

DOI: 10.1038/s41467-025-66527-9

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

फंडिंग

इस कार्य को वर्ल्ड प्रीमियर इंटरनेशनल रिसर्च सेंटर इनिशिएटिव (WPI), शिक्षा, संस्कृति, खेल, विज्ञान और प्रौद्योगिकी मंत्रालय (MEXT), जापान, JSPS KAKENHI (JP24K21942, JP25H00972, JP22H04926 Advanced Bioimaging Support (ABiS) , JP23H0424, JP24H01298), और Mochida Memorial Foundation for Medical and Pharmaceutical Research, Uehara Memorial Foundation, Naito Foundation, JST CREST (JPMJCR1762 to N.K. and H.F.), JST SPRING (JPMJSP2135), और JST ERATO (JPMJER2403) से अनुदान द्वारा समर्थित किया गया था।

संपर्क

Kimie Nishimura (सुश्री)
Project Planning and Outreach, NanoLSI Administration Office
Nano Life Science Institute, Kanazawa University
Kakuma-machi, Kanazawa 920-1192, Japan
Email: nanolsi-office@adm.kanazawa-u.ac.jp 

नैनो लाइफ साइंस इंस्टीट्यूट (WPI-NanoLSI), कानाज़ावा विश्वविद्यालय

"अज्ञात नैनो-क्षेत्रों" की खोज करके जीवन घटनाओं के नैनोस्केल तंत्र को समझना। कोशिकाएं जीवन की मूलभूत इकाइयाँ हैं। NanoLSI में, शोधकर्ता नैनोप्रोब प्रौद्योगिकियां विकसित करते हैं जो जीवित कोशिकाओं के अंदर प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड जैसे बायोमॉलिक्यूल्स की प्रत्यक्ष इमेजिंग, विश्लेषण और हेरफेर को सक्षम करती हैं। नैनोस्केल पर इन प्रक्रियाओं को देखकर, संस्थान जीवन और रोग के मौलिक सिद्धांतों को उजागर करना चाहता है।

https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/ 

वर्ल्ड प्रीमियर इंटरनेशनल रिसर्च सेंटर इनिशिएटिव (WPI) के बारे में

WPI कार्यक्रम को 2007 में जापान के शिक्षा, संस्कृति, खेल, विज्ञान और प्रौद्योगिकी मंत्रालय (MEXT) द्वारा उत्कृष्ट अनुसंधान वातावरण के साथ विश्व-स्तरीय अनुसंधान केंद्रों को बढ़ावा देने के लिए शुरू किया गया था। WPI केंद्र उच्च स्तर की स्वायत्तता का आनंद लेते हैं, जो नवीन प्रबंधन और वैश्विक सहयोग को सक्षम बनाता है। कार्यक्रम को Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) द्वारा प्रशासित किया जाता है।

WPI News Portal: https://www.eurekalert.org/newsportal/WPI

Main WPI program site: www.jsps.go.jp/english/e-toplevel

कानाज़ावा विश्वविद्यालय के बारे में

1862 में Ishikawa Prefecture में स्थापित, कानाज़ावा विश्वविद्यालय 160 वर्षों से अधिक के इतिहास के साथ जापान के प्रमुख व्यापक राष्ट्रीय विश्वविद्यालयों में से एक है। Kakuma और Takaramachi–Tsuruma में परिसरों के साथ, विश्वविद्यालय "शिक्षा के लिए समर्पित एक अनुसंधान विश्वविद्यालय, जबकि स्थानीय और वैश्विक समाज दोनों के लिए अपने दरवाजे खोलना" के अपने मार्गदर्शक सिद्धांत को बनाए रखता है।

अपने अनुसंधान संस्थानों के लिए अंतरराष्ट्रीय स्तर पर मान्यता प्राप्त, नैनो लाइफ साइंस इंस्टीट्यूट (WPI-NanoLSI) और कैंसर रिसर्च इंस्टीट्यूट सहित, कानाज़ावा विश्वविद्यालय अंतःविषय अनुसंधान और वैश्विक सहयोग को बढ़ावा देता है, स्वास्थ्य, स्थिरता और संस्कृति में प्रगति को आगे बढ़ाता है।

http://www.kanazawa-u.ac.jp/en/

मूल सामग्री देखें:https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-high-speed-afm-imaging-reveals-how-brain-enzyme-forms-dodecameric-ring-structure-302649514.html

SOURCE Kanazawa University