Onderzoek Kanazawa University: High-speed AFM-beeldvorming onthult hoe hersenenzym dodecamere ringstructuur vormt

KANAZAWA, Japan, 26 december 2025 /PRNewswire/ — Wetenschappers van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University, hebben real-time beelden vastgelegd die laten zien hoe een belangrijk hersenenzym zichzelf organiseert om geheugenvorming te ondersteunen. Hun studie, gepubliceerd in Nature Communications, onthult dat het enzym CaMKII gemengde α/β subeenheid structuren vormt waarvan de interacties leergerelateerde signalen in neuronen stabiliseren.

Een moleculaire schakelaar voor leren

Een van de belangrijkste enzymen van de hersenen voor leren en geheugen is Ca²⁺/calmoduline-afhankelijk proteïnekinase II (CaMKII). Dit enzym werkt als een moleculaire schakelaar die signalen aan en uit zet om zenuwcellen te helpen hun verbindingen te versterken — een proces dat bekend staat als synaptische plasticiteit.

Wanneer we leren, worden de verbindingen tussen neuronen, synapsen genoemd, versterkt. CaMKII drijft deze verandering aan door moleculen in deze synapsen te reorganiseren en te activeren.

CaMKII bestaat uit 12 proteïne subeenheden die in een ring zijn gerangschikt. Twee soorten subeenheden — α (alfa) en β (bèta) — worden in verschillende hoeveelheden gemengd in verschillende hersengebieden. Wetenschappers hebben lang vermoed dat de precieze balans tussen deze twee vormen belangrijk is voor geheugenvorming, maar tot nu toe had niemand daadwerkelijk gezien hoe de α en β subeenheden combineren en samen functioneren binnen de structuur van het enzym.

Moleculen in beweging filmen

Met behulp van hogesnelheids atoomkrachtmicroscopie (HS-AFM) filmde het Kanazawa University team onder leiding van Mikihiro Shibata de dynamische bewegingen van CaMKII op molecuul niveau. De beelden onthulden dat α en β subeenheden zich mengen binnen de 12-eenhedenring in een 3:1 verhouding, wat nauw aansluit bij de natuurlijke samenstelling die wordt aangetroffen in het voorhersenen van zoogdieren.

De onderzoekers ontdekten ook dat β subeenheden zich bij voorkeur naast elkaar positioneerden, met een waarschijnlijkheid van 83% voor naburigheid, waardoor kleine clusters binnen de ringstructuur van het enzym werden gevormd.

Stabiel moleculair geheugen

Wanneer het enzym werd geactiveerd door calcium en calmoduline—signalen die geassocieerd zijn met neuronale activiteit—vormden deze naburige β subeenheden stabiele 'kinase domein complexen' die gedurende langere perioden bleven bestaan.

Deze structuur verminderde de algehele katalytische activiteit van het enzym, maar behield een open oppervlak dat kon blijven interageren met andere proteïnen, waardoor geheugengerelateerde signalering kon blijven bestaan zelfs nadat het initiële calciumsignaal was verdwenen.

"Onze hogesnelheids AFM-films laten zien hoe CaMKII zichzelf op moleculair niveau reorganiseert om geheugensignalen te stabiliseren," zegt Shibata. "De β subeenheden werken als ankers die het enzym in een actieve, geheugenondersteunende configuratie houden."

Experimentele aanpak

• De onderzoekers combineerden geavanceerde structurele en biochemische technieken om het mechanisme te ontdekken:
• Hogesnelheids AFM: Legde real-time bewegingen van CaMKII's subeenheden vast met nanometer resolutie.
• Biochemische tests: Kwantificeerden enzymactivatie en defosforylering onder verschillende omstandigheden.
• AlphaFold3 modellering: Voorspelde de vorm en interacties van β subeenheid dimeren die tijdens activering worden gevormd. 
• Deze geïntegreerde benaderingen onthulden hoe CaMKIIβ subeenheden de actieve toestand stabiliseren en helpen het structurele geheugen te behouden dat ten grondslag ligt aan langetermijnpotentiëring (LTP)—de cellulaire basis van leren.

Implicaties en volgende stappen

De bevindingen bieden nieuw inzicht in de moleculaire architectuur van geheugen en openen mogelijkheden voor het bestuderen van hoe mutaties of subeenheid onevenwichtigheden in CaMKII bijdragen aan neurologische en psychiatrische aandoeningen.

Het team is van plan hun HS-AFM studies uit te breiden om te observeren hoe CaMKII interageert met actinefilamenten en synaptische receptoren zoals NMDAR, die de activiteit van het enzym koppelen aan veranderingen in neuronale vorm en connectiviteit.

Verklarende woordenlijst

• CaMKII: Ca²⁺/calmoduline-afhankelijk proteïnekinase II, een belangrijk hersenenzym betrokken bij leren en geheugen.
• HS-AFM: Hogesnelheids atoomkrachtmicroscopie, een krachtige beeldvormingsmethode voor het observeren van moleculaire beweging in real-time.
• Subeenheid: Een enkel proteïnemolecuul dat deel uitmaakt van een groter complex.
• Fosforylering: Een chemische modificatie die enzymen aan of uit zet.
• Hetero-oligomeer: Een moleculair complex gemaakt van twee of meer verschillende soorten subeenheden.

Referentie

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 

Financiering

Dit werk werd ondersteund door het World Premier International Research Center Initiative (WPI), Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan, JSPS KAKENHI (JP24K21942, JP25H00972, JP22H04926 Advanced Bioimaging Support (ABiS) , JP23H0424, JP24H01298), en subsidies van de Mochida Memorial Foundation for Medical and Pharmaceutical Research, Uehara Memorial Foundation, Naito Foundation, JST CREST (JPMJCR1762 aan N.K. en H.F.), JST SPRING (JPMJSP2135), en JST ERATO (JPMJER2403).

Contact

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

Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University

Het begrijpen van nanoschaal mechanismen van levensverschijnselen door het verkennen van "onontgonnen nano-gebieden." Cellen zijn de basiseenheden van het leven. Bij NanoLSI ontwikkelen onderzoekers nanoprobe technologieën die directe beeldvorming, analyse en manipulatie van biomoleculen zoals proteïnen en nucleïnezuren in levende cellen mogelijk maken. Door deze processen op nanoschaal te visualiseren, streeft het instituut ernaar fundamentele principes van leven en ziekte te ontdekken.

https://nanolsi.kanazawa-u.ac.jp/en/ 

Over het World Premier International Research Center Initiative (WPI)

Het WPI-programma werd in 2007 gelanceerd door het Japanse Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) om onderzoekscentra van wereldklasse met uitstekende onderzoeksomgevingen te bevorderen. WPI-centra genieten een hoge mate van autonomie, wat innovatief management en mondiale samenwerking mogelijk maakt. Het programma wordt beheerd door de Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).

WPI Nieuwsportaal: https://www.eurekalert.org/newsportal/WPI

Hoofd WPI-programmasite: www.jsps.go.jp/english/e-toplevel

Over Kanazawa University

Opgericht in 1862 in de prefectuur Ishikawa, is Kanazawa University een van Japan's toonaangevende alomvattende nationale universiteiten met een geschiedenis van meer dan 160 jaar. Met campussen in Kakuma en Takaramachi–Tsuruma, handhaaft de universiteit haar leidend principe om "een onderzoeksuniversiteit te zijn die zich toelegt op onderwijs, terwijl ze haar deuren opent voor zowel de lokale als mondiale samenleving."

Internationaal erkend voor haar onderzoeksinstituten, waaronder het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) en het Cancer Research Institute, bevordert Kanazawa University interdisciplinair onderzoek en mondiale samenwerking, en drijft vooruitgang op het gebied van gezondheid, duurzaamheid en cultuur.

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

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

BRON Kanazawa University