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根據(jù)一項新的研究，一種參與認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胞的蛋白相類似的性質，它起源于數(shù)億年前發(fā)生的一個偶然的進化事件。相關研究結果發(fā)表在2018年1月11日的Cell期刊上，論文標題為“The Neuronal Gene Arc Encodes a Repurposed Retrotransposon Gag Protein that Mediates Intercellular RNA Transfer”。
 

圖片來自Elissa Pastuzyn。

根據(jù)美國猶他大學神經(jīng)科學家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Shepherd的同事們捕捉到證實蛋白Arc組裝成更大結構的圖片時，他首先猜測Arc存在一些不同之處。這些結構在形狀上類似于月球著陸器的太空艙，看上去很像逆轉錄病毒HIV的病毒衣殼。 Shepherd研究了這種蛋白15年。他說，“當時，我們對Arc的分子功能和進化歷史了解不多。說實話，我?guī)缀鯇@種蛋白失去了興趣。在觀察到它形成的衣殼結構后，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小時之前學到的東西。而且，它們的大腦缺乏可塑性。在生命早期存在著一個時間窗口，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，那么這個時間窗口永遠不會打開。

科學家們從沒有考慮到負責獲取知識的機制可能具有外部起源。如今，Shepherd和他的團隊開展的這項新的研究提出了這個有趣的可能性。

重煥生機

觀察到Arc具有形成病毒樣結構的異常傾向促使Shepherd仔細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胞之間進行運送。

鑒于Arc看起來像一種病毒蛋白，Shepherd和他的同事們設計了一系列實驗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存儲它自己的遺傳物質，在這里指的是mRNA。當他們將這種病毒樣衣殼加入到培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的小鼠腦細胞（即神經(jīng)元）時，Arc將它的遺傳物質轉移到這些細胞中。

在病毒侵入宿主細胞中后，它們作好再次感染的準備?？雌饋鞟rc以類似的方式發(fā)揮作用。Shepherd團隊收集了由小鼠神經(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，“我們進入這一研究領域后，知道Arc在很多方面是特殊的，但是當我們發(fā)現(xiàn)Arc能夠介導RNA的細胞間轉運時，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。”

好運成雙

在整個進化過程中，Arc的起源故事通過動物的基因組進行傳播。在3.5～4億年前，一個偶然的事件發(fā)生在地球上漫步的四肢動物身上。逆轉錄病毒的祖先，即逆轉錄轉座子（retrotransposon），將它的遺傳物質插入到這些動物的DNA中。這一事件導致我們如今知道的哺乳動物Arc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。在同期Cell期刊上發(fā)表的另一篇論文證實，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的Vivian Budnik實驗室證實果蠅Arc蛋白將來自神經(jīng)元的RNA轉運到肌肉中來控制運動。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錄轉座子進化而來，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、美國康奈爾大學教授Cédric FeDURANe博士說，“作為一名進化生物學家，這是令我感到zui為興奮的事情。這一事件至少發(fā)生兩次的事實讓我們認為它發(fā)生了更多次。”

Shepherd認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胞間通信。這種假設還有待在哺乳動物中進行測試。他說，“了解Arc囊泡在活體動物中運輸哪種貨物將對理解這種通路的功能是至關重要的。” 

還記得你剛了解到這個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