Мы с Гелетом немало размышляли над этим вопросом и в 1986 году в своей обзорной статье в Nature предложили схему, которая стала известна под названием синаптической маркировки. Мы предположили, что мимолетные изменения в определенном синапсе, обеспечивающие кратковременную память, каким-то образом маркируют его, и эта маркировка позволяет распознавать и задерживать белки в районе данного синапса.
Вопрос о том, как клетка направляет белки к определенным синапсам, как нельзя лучше подходил для Келси Мартин — необычайно одаренной специалистки по клеточной биологии, получившей двойную степень доктора медицины и доктора философии в Йельском университете. После окончания Гарвардского колледжа Келси и ее муж работали в Африке по программе Корпуса мира
[29]
. Когда они начали исследования в Колумбийском университете, у них уже был сын Бен. В период работы Келси в нашей лаборатории у них родилась дочь Майя. Присутствие Келси придавало жизни нашей лаборатории особый дух — не только потому, что она с редким мастерством занималась наукой самого высокого уровня, но и потому, что у всех нас поднималось настроение, когда она с 16:00 до 18:00 превращала наш небольшой конференц-зал — столовую в веселый детский сад для одаренных детей.
Отследив поступление протеинкиназы А в ядро и обнаружив в нем CREB-белки, мы прошли по пути внутриклеточных реакций от синапса до ядра. Теперь нам предстояло пойти в обратном направлении. Нам с Келси нужно было выяснить, чем синапс сенсорного нейрона, обрабатываемый серотонином и претерпевающий долговременные структурные изменения, отличается от необработанных синапсов того же нейрона. Мы это сделали в культуре клеток с помощью полученной нами новой экспериментальной системы.
Мы выращивали отдельный сенсорный нейрон с разветвленным аксоном, образовывавшим синаптические связи с двумя разными мотонейронами. Затем мы имитировали поведенческое обучение, как и раньше, вводя в область синапсов серотонин, но при этом обрабатывая только синапсы, связывающие сенсорный нейрон с одним из двух моторных. Однократное введение серотонина, как и ожидалось, приводило к кратковременному усилению связи только в этих синапсах. Но и пятикратное введение серотонина вызывало долговременное усиление связи и отрастание новых синаптических окончаний только в тех синапсах, которые мы обрабатывали. Результат был удивителен тем, что для долговременного усиления связей и отрастания новых окончаний требуется активация генов CREB-белком, которая происходит в ядре клетки и должна, казалось бы, действовать на все ее синапсы. Когда Келси блокировала работу CREB-белка в ядре, это подавляло усиление связи и рост новых окончаний в области обрабатываемых синапсов (рис. 19–2).
19–2. Экспериментальная система для изучения роли серотонина в синаптических изменениях. Сенсорный нейрон (обозначенный CH на фото вверху) с разветвленным аксоном образует синапсы с двумя мотонейронами (МН). Только на один из этих синапсов воздействуют серотонином. В результате только в этом синапсе происходят кратковременные и долговременные изменения. (Фото любезно предоставила Келси Мартин).
Открытие продемонстрировало нам одно важное свойство вычислительных способностей нервной системы. Оно показало, что, хотя нейрон может образовывать тысячу или больше синаптических связей с разными клетками-мишенями, отдельные синапсы могут видоизменяться независимо при формировании как кратковременной, так и долговременной памяти. Независимость долговременной деятельности синапсов дает нейрону необычайную вычислительную пластичность.
Но чем обеспечивается эта поразительная избирательность? Мы рассмотрели два возможных ответа: что нейрон направляет информационную РНК и белки только к тем синапсам, которые маркированы для формирования долговременной памяти, и что информационная РНК и белки поступают ко всем синапсам нейрона, но только маркированные синапсы могут использовать их для отращивания новых окончаний. Начали мы со второй гипотезы, потому что ее было проще проверить.
Что же позволяет осуществлять эту «маркировку для роста»? Келси установила, что в маркированном синапсе должны происходить две вещи. Первая — просто активация протеинкиназы А. Если в области синапса не активируется протеинкиназа А, никакого усиления связи вообще не происходит. Вторая — активация механизма, управляющего локальным синтезом белков. Это было совершенно неожиданное открытие, позволившее по-новому взглянуть на одну замечательную область клеточной нейробиологии, которую до того недооценивали и поэтому не обращали на нее особого внимания. В начале восьмидесятых годов Освальд Стьюард, теперь работающий в Калифорнийском университете в Ирвайне, обнаружил: несмотря на то что в подавляющем большинстве случаев синтез белков в нейронах происходит в теле клетки, некоторые белки синтезируются локально, непосредственно в синапсах.
Наше новое открытие указывало на то, что одна из функций локального синтеза белков состоит в поддержании долговременного усиления синаптических связей. Когда мы подавляли локальный синтез белка в области определенного синапса, процесс долговременного усиления все же запускался, и в этой области начинался рост новых окончаний с использованием белков, поступающих от тела клетки. Однако этот рост не поддерживался и через день обращался вспять. Таким образом, белков, синтезируемых в теле клетки и поступающих к окончаниям, достаточно для запускания синаптического роста, но для его поддержания необходимы белки, синтезируемые локально (рис. 19–3).
19–3. Два механизма долговременных изменений. Новые белки поступают ко всем синапсам (вверху), но только в синапсах, обрабатываемых серотонином, они вызывают отрастание новых окончаний аксона. Для поддержания роста, вызываемого экспрессией генов, необходимы белки, синтезируемые на месте.
Эти результаты позволяли по-новому взглянуть на долговременную память. Они заставляли предположить, что в ее формировании задействованы два независимых механизма. Один запускает долговременное усиление синаптических связей, направляя в ядро протеинкиназу А, которая активирует CREB-белок, тем самым включая структурные гены, кодирующие белки, необходимые для роста новых синаптических связей. Другой закрепляет сформированную память, поддерживая новообразованные синаптические окончания, для чего требуется локальный синтез белков. Так мы поняли, что запуск и поддержание обеспечиваются здесь двумя разными механизмами. Как же работает второй?
Как раз тогда, в 1999 году, в нашу лабораторию пришел Каусик Си — необычайно самобытный и способный ученый. Каусик вырос в небольшом городке в Индии, где его отец работал школьным учителем. Когда отец понял, что Каусик увлекается биологией, он попросил своего коллегу, местного учителя биологии, взять мальчика под свою опеку. Этот учитель многому научил Каусика и способствовал развитию его интереса к молекулярной генетике. Кроме того, он убедил Каусика поехать учиться в магистратуру в Соединенные Штаты, в результате чего он стал постдоком у меня в Колумбийском университете.
