記憶を司るタンパク質CaMKIIの数珠つなぎを発見

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2026-09-14 京都大学

金沢大学、京都大学、自然科学研究機構などの共同研究グループは、記憶や学習に重要なタンパク質CaMKIIαが、シナプス後肥厚(PSD)に近い高密度環境で互いに結合し、数珠状のクラスターを形成することを高速原子間力顕微鏡(高速AFM)で明らかにした。CaMKIIαは12個のサブユニットからなる12量体として働き、記憶形成に関わる長期増強(LTP)の際にPSDへ集積するが、従来はNMDA型グルタミン酸受容体との結合だけでは、その高密度な集積を説明できなかった。今回、CaMKIIα同士がキナーゼドメインを介して接触し、2~10個程度の鎖状クラスターを形成することを発見。Ca²⁺/カルモジュリン結合によりクラスターがさらに成長する機構も解明した。さらに、知的障害患者で確認されたP212L変異体は基底状態でも大型クラスターを形成した。これらの成果は、記憶・学習の分子機構だけでなく、神経発達症の発症機構や治療法の研究にもつながると期待される。

記憶を司るタンパク質CaMKIIの数珠つなぎを発見
CaMKIIα のドメイン構成と12量体モデル
(A)CaMKIIαのサブユニット構成。キナーゼドメイン、制御セグメント、リンカー、ハブドメインからなる。数字はアミノ酸の位置を示す。(B)12個のサブユニットが中央のハブ集合体を囲んでリング状に組み上がった12量体のモデル(電子顕微鏡データに基づく)。自己リン酸化(P)を受けるThr286、Thr305、Thr306の位置を示す。

<関連情報>

CaMKIIα ホロ酵素はメゾスコピックな領域で鎖状のクラスターへと自己組織化する CaMKIIα holoenzymes self-organize into chain-like mesoscale clusters

Taisei Suzuki, Takashi Sumikama, Keisuke Matsushima, Kodai Hasegawa, […] , and Mikihiro Shibata
Science Advances  Published:11 Sep 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.aeg0958

Abstract

Calcium- and calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) is highly enriched in dendritic spines at concentrations comparable to those of cytoskeletal proteins and plays a central role in synaptic plasticity. During long-term potentiation, CaMKIIα further accumulates in spines. However, the mechanisms governing its higher-order organization remain poorly understood. Here, we use high-speed atomic force microscopy to visualize interholoenzyme interaction of CaMKIIα at mesoscopic scales (5 to 500 nanometers). Under freely diffusible conditions, CaMKIIα holoenzymes do not form stable clusters. In contrast, when spatially confined, they assemble into chain-like clusters mediated by kinase-domain interactions. These clusters expand upon activation, concomitant with the dissociation of the regulatory segment. Notably, the CaMKIIα Pro212→Leu (P212L) mutant associated with neurodevelopmental disorders forms extensive clusters even in the basal state. Together, our findings demonstrate that CaMKIIα-CaMKIIα interactions drive mesoscale cluster formation and that precise regulation of cluster size and activation-dependent growth might be critical for synaptic signaling.

医療・健康
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