根據(jù)一項(xiàng)新的研究，一種參與認(rèn)知和儲存長期記憶的蛋白看起來像一種病毒蛋白，并且像一種病毒蛋白那樣發(fā)揮作用。這種被稱作Arc的蛋白具有與病毒用來感染宿主細(xì)胞的蛋白相類似的性質(zhì)，它起源于數(shù)億年前發(fā)生的一個(gè)偶然的進(jìn)化事件。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年1月11日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“The Neuronal Gene Arc Encodes a Repurposed Retrotransposon Gag Protein that Mediates Intercellular RNA Transfer”。
 

圖片來自Elissa Pastuzyn。

根據(jù)美國猶他大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Jason Shepherd博士的說法，病毒樣蛋白（virus-like protein，也譯作類似病毒的蛋白）可能成為大腦中的一種新的細(xì)胞間通信形式，這可能會改變我們對記憶是如何產(chǎn)生的理解。

當(dāng)Shepherd的同事們捕捉到證實(shí)蛋白Arc組裝成更大結(jié)構(gòu)的圖片時(shí)，他首先猜測Arc存在一些不同之處。這些結(jié)構(gòu)在形狀上類似于月球著陸器的太空艙，看上去很像逆轉(zhuǎn)錄病毒HIV的病毒衣殼。 Shepherd研究了這種蛋白15年。他說，“當(dāng)時(shí)，我們對Arc的分子功能和進(jìn)化歷史了解不多。說實(shí)話，我?guī)缀鯇@種蛋白失去了興趣。在觀察到它形成的衣殼結(jié)構(gòu)后，我們知道我們有些有趣的想法。”

之前的研究已表明，缺乏Arc的小鼠忘記了它們在24小時(shí)之前學(xué)到的東西。而且，它們的大腦缺乏可塑性。在生命早期存在著一個(gè)時(shí)間窗口，在此期間，大腦就像海綿一樣，很容易吸收新的知識和技能。如果缺乏Arc，那么這個(gè)時(shí)間窗口永遠(yuǎn)不會打開。

科學(xué)家們從沒有考慮到負(fù)責(zé)獲取知識的機(jī)制可能具有外部起源。如今，Shepherd和他的團(tuán)隊(duì)開展的這項(xiàng)新的研究提出了這個(gè)有趣的可能性。

重?zé)ㄉ鷻C(jī)

觀察到Arc具有形成病毒樣結(jié)構(gòu)的異常傾向促使Shepherd仔細(xì)檢查這種蛋白的序列。他發(fā)現(xiàn)它的編碼區(qū)域與病毒衣殼的編碼區(qū)域相類似。作為病毒感染的一個(gè)重要工具，病毒衣殼攜帶著病毒的遺傳信息，并在它的感染者的細(xì)胞之間進(jìn)行運(yùn)送。

鑒于Arc看起來像一種病毒蛋白，Shepherd和他的同事們設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)來測試它是否也像一種病毒蛋白那樣發(fā)揮作用。他們首先確定了Arc的幾個(gè)拷貝自我組裝成中空的病毒樣衣殼，并在這種病毒樣衣殼內(nèi)存儲它自己的遺傳物質(zhì)，在這里指的是mRNA。當(dāng)他們將這種病毒樣衣殼加入到培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的小鼠腦細(xì)胞（即神經(jīng)元）時(shí)，Arc將它的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到這些細(xì)胞中。

在病毒侵入宿主細(xì)胞中后，它們作好再次感染的準(zhǔn)備。看起來Arc以類似的方式發(fā)揮作用。Shepherd團(tuán)隊(duì)收集了由小鼠神經(jīng)元釋放的蛋白Arc，并確定這種蛋白和它攜帶的貨物能夠被另一組神經(jīng)元攝取。不同于病毒的是，活化的神經(jīng)元調(diào)動蛋白Arc，觸發(fā)這種蛋白形成的病毒樣衣殼釋放。

論文*作者、博士后研究員Elissa Pastuzyn博士說，“我們進(jìn)入這一研究領(lǐng)域后，知道Arc在很多方面是特殊的，但是當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)Arc能夠介導(dǎo)RNA的細(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，我們感到非常震驚。我們知道其他的非病毒蛋白沒有這樣的行為。”

好運(yùn)成雙

在整個(gè)進(jìn)化過程中，Arc的起源故事通過動物的基因組進(jìn)行傳播。在3.5～4億年前，一個(gè)偶然的事件發(fā)生在地球上漫步的四肢動物身上。逆轉(zhuǎn)錄病毒的祖先，即逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（retrotransposon），將它的遺傳物質(zhì)插入到這些動物的DNA中。這一事件導(dǎo)致我們?nèi)缃裰赖牟溉閯游顰rc蛋白產(chǎn)生。

這一事件的意義在于它發(fā)生了不止一次的事實(shí)。在同期Cell期刊上發(fā)表的另一篇論文證實(shí)，在果蠅中發(fā)現(xiàn)的Arc蛋白版本也看起來像病毒衣殼，并且像病毒衣殼那樣發(fā)揮作用。美國馬薩諸塞州大學(xué)的Vivian Budnik實(shí)驗(yàn)室證實(shí)果蠅Arc蛋白將來自神經(jīng)元的RNA轉(zhuǎn)運(yùn)到肌肉中來控制運(yùn)動。盡管哺乳動物Arc蛋白和果蠅Arc蛋白由從同一種類型的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子進(jìn)化而來，但是果蠅中的這一事件要晚發(fā)生大約1.5億年。

論文共同作者、美國康奈爾大學(xué)教授Cédric FeDURANe博士說，“作為一名進(jìn)化生物學(xué)家，這是令我感到zui為興奮的事情。這一事件至少發(fā)生兩次的事實(shí)讓我們認(rèn)為它發(fā)生了更多次。”

Shepherd認(rèn)為這可能意味著具有這種病毒啟發(fā)系統(tǒng)是有優(yōu)勢的，而且它可能代表一種新型的細(xì)胞間通信。這種假設(shè)還有待在哺乳動物中進(jìn)行測試。他說，“了解Arc囊泡在活體動物中運(yùn)輸哪種貨物將對理解這種通路的功能是至關(guān)重要的。” 

還記得你剛了解到這個(gè)不尋常的病毒樣蛋白嗎？它可能控制著你的記憶。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Elissa D. Pastuzyn, Cameron E. Day, Rachel B. Kearns et al. The Neuronal Gene Arc Encodes a Repurposed Retrotransposon Gag Protein that Mediates Intercellular RNA Transfer. Cell, 11 January 2018, 172(1-2):275–288, doi:10.1016/j.cell.2017.12.024

James Ashley, Benjamin Cordy, Diandra Lucia et al. Retrovirus-like Gag Protein Arc1 Binds RNA and Traffics across Synaptic Boutons. Cell, 11 January 2018, 172(1-2):262–274, doi:10.1016/j.cell.2017.12.022