Диссертации Каусика на соискание степени доктора философии была посвящена синтезу белков у дрожжей, а в Колумбийском университете он занялся проблемой локального синтеза белков в нейронах аплизии. Мы знали, что молекулы информационной РНК синтезируются в ядре, а затем в определенных синапсах на их матрице происходит синтез белков. В связи с этим нужно было ответить на вопрос, поступает ли информационная РНК в окончания в активном состоянии или в неактивном, как спящая красавица, в ожидании того, что в области маркированных синапсов ее поцелует какой-то молекулярный прекрасный принц.
Каусик склонялся к гипотезе спящей красавицы. Он доказывал, что неактивные молекулы информационной РНК активируются только в том случае, если достигают соответствующим образом маркированного синапса и встречаются там с определенным сигналом. Он проводил параллель с интересным примером такой регуляции, который наблюдается в развитии лягушек. В ходе оплодотворения и созревания яйцеклетки лягушки неактивные молекулы информационной РНК пробуждаются и активируются под действием недавно открытого белка, регулирующего локальный синтез других белков. Этот белок называется CPEB (cytoplasmic polyadenylation element-binding protein — белок, связывающий элемент цитоплазматического полиаденилирования).
Мы проникали в лабиринты молекулярных механизмов памяти все глубже, и Каусику удалось выяснить, что неизвестная ранее форма CPEB-белка в нейронах аплизии и есть тот прекрасный принц, которого мы искали. Этот белок присутствует только в нервной системе, локализуется во всех синапсах нейрона, активируется серотонином, и его наличие в активированных синапсах требуется для поддержания синтеза белка и отрастания новых синаптических окончаний. Однако открытие Каусика отвечало на один вопрос, но задавало другой. Большинство белков в клетке распадается и разрушается в течение нескольких часов. Что же поддерживает рост синаптических окончаний в течение более длительного времени? Какой принципиальный механизм мог поддерживать мои воспоминания о Митци в течение всей жизни?
Внимательно изучая последовательность аминокислот нового CPEB-белка, Каусик обнаружил весьма примечательную вещь. Один из концов цепочки этого белка обладал всеми признаками приона.
Прионы — это, наверное, самые странные из белков, известных современной биологии. Их открыл Стэнли Прузинер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Это были факторы, вызывающие несколько загадочных нейродегенеративных заболеваний, таких как коровье бешенство (губкообразная энцефалопатия крупного рогатого скота) и болезнь Кройцфельдта — Якоба у людей (именно эта болезнь стала причиной трагической смерти Ирвинга Купфермана в 2002 году — на пике его научной карьеры). Прионы отличаются от других белков тем, что их цепочки могут сворачиваться двояко, образуя две функционально различные формы или конформации: доминантную и рецессивную. Экспрессия генов, кодирующих прионы, приводит к синтезу рецессивной формы, но рёцессивная форма может превращаться в доминантную или по чистой случайности, как это, вероятно, произошло у Ирвинга, или в связи с употреблением в пищу продуктов, содержащих доминантную форму этого белка. В доминантной форме прионы могут убивать клетки собственного организма. Еще одно отличие прионов от других белков состоит в том, что их доминантная форма способна самоподдерживаться. Под действием доминантной формы рецессивная меняет конформацию и тоже превращается в доминантную, получая способность к самоподдержанию (рис. 19–4).
19–4. Долговременная память и обладающий прионными свойствами CPEB-белок. Введение серотонина вызвало поступление из ядра сенсорного нейрона неактивной информационной РНК (иРНК) ко всем окончаниям его аксона (1). Пятикратное введение серотонина в область одного из окончаний приводит к переходу обладающего прионными свойствами белка (CPEB), присутствующего в клетке в районе всех синапсов, в доминантную, самоподдерживающуюся форму (2). Доминантный CPEB способен переводить рецессивный CPEB в доминантную форму (3). Доминантный CPEB активирует неактивную иРНК (4). Активированная и РНК управляет синтезом белков в новых синаптических окончаниях, укрепляет синаптическую связь и обеспечивает поддержание памяти.
Я помню, как однажды в 2001 году чудесным весенним днем, когда солнечный свет отражался от ряби на реке Гудзон за окнами моего кабинета, ко мне зашел Каусик и спросил: «Что вы скажете, если я сообщу вам, что у CPEB есть прионные свойства?»
Безумная идея! Но если правда, это позволило бы объяснить, как долгосрочная память может неограниченно долго поддерживаться в синапсах, несмотря на постоянный распад и обновление белков. Самоподдерживающееся вещество вполне может сохраняться в области синапса неограниченно долго, регулируя локальный синтез белков, необходимых для поддержания новообразованных синаптических окончаний.
В ходе моих ночных раздумий о долговременной памяти однажды ненадолго уже приходила в голову мысль, что прионы могут быть каким-то образом задействованы в хранении этой памяти. К тому же я был знаком с новаторскими работами Прузинера, посвященными прионам и прионным заболеваниям, за исследование которых он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1997 года. Поэтому, хотя я никак не ожидал, что недавно открытая разновидность CPEB-белка может оказаться прионом, я сразу воспринял идеи Каусика с энтузиазмом.
Прионы особенно активно изучали у дрожжей, но никому еще не удавалось выяснить, какую функцию эти белки играют в норме, пока Каусик не открыл новую форму CPEB-белка, выделенную из нейронов. Поэтому его открытие было не только серьезным шагом вперед в исследовании обучения и памяти, но и новым словом для биологии в целом. Вскоре мм установили, что в сенсорных нейронах, участвующих в рефлексе втягивания жабр, превращением CPEB-белка из неактивной неразмножающейся формы в активную и размножающуюся управляет серотонин — нейромедиатор, необходимый для превращения кратковременной памяти в долговременную (рис. 19–4). В этой самоподдерживающейся форме CPEB обеспечивает также поддержание локального синтеза белков. Кроме того, обратить вспять переход в это самоподдерживающееся состояние сравнительно непросто.
Благодаря этим двум свойствам новая разновидность прионов как нельзя лучше подходит для хранения памяти. Самоподдержание, необходимое для локального синтеза белков, позволяет надолго избирательно сохранять информацию в одних синапсах, но, как вскоре установил Каусик, не влияет на множество других синапсов того же нейрона.
Помимо открытия роли нового приона в длительном сохранении памяти и в работе нервной системы в целом мы с Каусиком также обнаружили два неизвестных ранее биологических свойства прионов. Во-первых, нормальный физиологический сигнал (серотонин) обеспечивает превращение CPEB-белка из одной формы в другую. Во-вторых, новый CPEB-белок был первой самоподдерживающейся формой приона, для которой удалось установить физиологическую функцию — в данном случае поддержание усиления синаптической связи и хранение памяти. Во всех других исследованных ранее случаях самоподдерживающаяся форма приона или вызывала болезнь и смерть, убивая нервные клетки, или, реже, была неактивна.
