复杂的蛋白质相互作用在突触中对我们大脑的记忆形成至关重要，但这些过程背后的机制仍然了解甚少。现在，来自日本的研究人员开发了一种计算模型，揭示了与记忆相关的蛋白质在突触中形成的独特的液滴内液滴结构的新见解。他们发现，与记忆相关的蛋白质的形状特征对这些结构的形成至关重要，这可能有助于揭示各种神经疾病的本质。
复杂的蛋白质相互作用在突触中对我们大脑的记忆形成至关重要，但这些过程背后的机制仍然了解甚少。现在，来自日本的研究人员开发了一种计算模型，揭示了与记忆相关的蛋白质在突触中形成的独特的液滴内液滴结构的新见解。他们发现，与记忆相关的蛋白质的形状特征对这些结构的形成至关重要，这可能有助于揭示各种神经疾病的本质。
我们大脑形成和储存记忆的非凡能力长期以来令科学家着迷，然而大多数与记忆和学习过程相关的微观机制仍然是一个谜。最近的研究指出，突触后密度中的生化反应的重要性——这是神经元连接和沟通的特化区域。现在认为，这些微小的脑细胞交汇处是蛋白质需要以特定方式组织的关键地点，以促进学习和记忆的形成。
更具体地说，一项2021年的研究揭示了与记忆相关的蛋白质可以在突触后密度中结合在一起形成液滴状结构。这些结构特别引人注目的是其独特的“液滴内液滴”的组织，科学家们认为这可能是我们大脑创造持久记忆的基础。然而，确切地理解这种复杂的蛋白质排列是如何形成的，仍然是神经科学领域面临的一大挑战。
在这个背景下，由日本藤田保健大学国际脑科学中心（ICBS）的研究员Vikas Pandey领导的研究团队开发了一种创新的计算模型，能够重现这些复杂的蛋白质结构。他们于2025年4月7日在《细胞报告》上在线发表的论文探索了多层蛋白质冷凝物形成的机制。该研究的共同作者包括京都大学医学院药理学系的Tomohisa Hosokawa博士和Yasunori Hayashi博士，以及ICBS的Hidetoshi Urakubo博士。
研究人员专注于发现于突触中的四种蛋白质，特别关注钙/钙调素依赖性蛋白激酶II（CaMKII）——这种蛋白质在突触后密度中特别丰富。通过计算建模技术，他们模拟了这些蛋白质在各种条件下如何相互作用和组织。其模型成功重现了前面提到的“液滴内液滴”结构，该结构在早期实验中被观察到。通过模拟和对涉及的物理力和化学相互作用的详细分析，研究团队阐明了一个被称为液-液相分离（LLPS）的过程；该过程涉及蛋白质自发组织成没有膜的冷凝物，有时类似于细胞内发现的细胞器。
关键是，研究人员发现独特的“液滴内液滴”结构是蛋白质之间的竞争结合的结果，并受到CaMKII形状的显著影响，特别是其高价性（结合位点数量）和短链连接长度。这些与形状相关的CaMKII特性导致了低表面张力和缓慢扩散，使得蛋白质冷凝物能够稳定维持较长一段时间。这种稳定性使得维持下游信号通路的持续激活成为可能，这对于突触可塑性至关重要，而突触可塑性是学习和记忆的细胞基础。“我们的结果揭示了CaMKII作为突触记忆单元的新结构-功能关系。这是首次系统性和机制性研究蛋白质调控的多相冷凝物的不同结构，”Pandey博士强调。
这些发现可能为更好地理解人类记忆形成的可能机制铺平道路。然而，这项研究的长期意义远远超出了基础神经科学。
突触形成的缺陷与多种神经和心理健康状况相关，包括精神分裂症、自闭症谱系障碍、唐氏综合症和雷特综合症。 “总体而言，本研究开发的计算模型可以作为研究这些状况的重要平台，可能导致新的诊断工具和治疗方法，” Pandey博士解释说。
让我们希望科学家们继续解开记忆在分子水平上形成的奥秘，带领我们更加深入理解大脑这一最基本且复杂的功能之一。
***
参考文献
DOI: 10.1016/j.celrep.2025.115504
关于藤田保健大学 藤田保健大学（FHU）是一所位于日本爱知县的私立医科大学。成立于1964年，拥有日本最大的大型大学医院之一。其900名成员的教职工为全球医学学生提供多样的学习和研究机会。藤田保健大学遵循“我们的创造力为人民”的创校理念，认为其学生可以通过创造力和创新塑造未来。FHU获得全球认可，在2020年泰晤士高等教育（THE）世界大学排名中名列所有大学第八和日本私立大学第二。在2024年THE大学影响力排名中，该大学因对联合国“良好健康与福祉”可持续发展目标（SDG）的贡献位列全球第四。2021年6月，该大学成为第一个举办THE亚洲大学峰会的日本机构。2024年，藤田保健大学获得日本政府授予的“日本顶尖研究大学（J-PEAKS）”计划，以建立一个创新的学术药物发现生态系统和多所大学联合体的研究与教育中心。
网站: https://www.fujita-hu.ac.jp/en/index.html
关于来自藤田保健大学的Vikas Pandey博士 Vikas Pandey博士于2012年和2017年分别获得印度孟买印度理工学院的硕士和博士学位。他目前是藤田保健大学的特别研究员。他的研究兴趣围绕系统生物学、计算神经科学、非线性动力学和数学生物学。他在这些主题上发表了许多研究论文。
资助信息 本项目获得了来自日本科学技术机构（JST）的核心研究进化科学与技术（CREST）资助（资助编号：JPMJCR20E4）、JSPS KAKENHI（JP19K06885、JP24H02317和JP20K12062）、小林基金会、京都大学的ISHIZUE2024、来自日本文部科学省的科学研究助成基金JP18H05434、JP20K21462和JP22K21353；上原纪念财团；内藤财团；光科学与技术研究基金；诺华基金会；武田科学基金会；以及HFSP研究资助RGP0020/2019。
