記憶を司るタンパク質CaMKIIのリング構造の新発見

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2025-12-24 生理学研究所

金沢大学WPI-NanoLSI/新学術創成研究機構の柴田幹大教授らは、自然科学研究機構 生理学研究所の村越秀治准教授らと共同で、記憶・学習に必須の酵素タンパク質CaMKIIの12量体リングの実像を高速原子間力顕微鏡(高速AFM)で世界初に解明した。脳内に存在するCaMKIIのα型とβ型は、同一リング内で混在する「ヘテロ12量体」を形成し、特に少数派のβ型が80%以上の確率で隣接配置することを実時間観察で示した。さらに活性化条件下では、隣接β型同士が安定なキナーゼドメイン複合体を作り、活性維持や受容体結合に関わる構造状態を長く保つ可能性が示唆された。これにより約40年続いたリング構造の論争に決着がつき、シナプス可塑性(LTP/LTD)の分子機構理解や、アルツハイマー病など神経疾患の創薬研究への波及が期待される。成果はNature Communicationsに掲載。

記憶を司るタンパク質CaMKIIのリング構造の新発見
図 1:CaMKIIのドメイン構成。(A)括弧内の数字はβ型のアミノ酸残基を示す。α型とβ型の主な違いはリンカーのアミノ酸残基数である。電子顕微鏡画像に基づいて予想されたCaMKIIαの12量体構造モデル(B)。

<関連情報>

高速AFMを用いたCaMKIIα/βが混合したヘテロ12量体のナノ動態イメージング Structural dynamics of mixed-subunit CaMKIIα/β heterododecamers filmed by high-speed AFM

Keisuke Matsushima,Takashi Sumikama,Taisei Suzuki,Mizuho Ito,Yutaro Nagasawa,Ayumi Sumino,Holger Flechsig,Tomoki Ogoshi,Kenichi Umeda,Noriyuki Kodera,Hideji Murakoshi & Mikihiro Shibata
Nature Communications  Published:24 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-66527-9

Abstract

CaMKII predominantly assembles into a 12-meric ring assembly, primarily consisting of α and β isoforms in the brain. Previous biochemical studies reported varying ratios of these CaMKII variants across different brain regions and developmental stages. However, direct evidence for the formation of CaMKIIα/β heterooligomers within a 12-meric ring assembly has been lacking at the single-molecule level. Here, we employ high-speed atomic force microscopy to visualize the conformational dynamics of forebrain-mimicked CaMKIIα/β at a 3:1 ratio. Our findings reveal that the α and β subunits are intermixed within the 12-meric ring assembly, with a probability exceeding 83% that β subunits are positioned adjacently. Furthermore, in the activated state, CaMKIIα/β heterooligomers form a stable kinase domain complex via interactions between adjacent CaMKIIβ subunits, resulting in a long-lasting structure with an exposed target binding site. Collectively, our observations provide insights into the structural role of CaMKIIβ subunits within the CaMKIIα/β heterododecamer.

医療・健康
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