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震惊!两篇Cell揭示病毒样蛋白Arc可能控制着你的记忆

来源:本站原创 2018-01-13 18:39

2018年1月13日/生物谷BIOON/---根据一项新的研究,一种参与认知和储存长期记忆的蛋白看起来像一种病毒蛋白,并且像一种病毒蛋白那样发挥作用。这种被称作Arc的蛋白具有与病毒用来感染宿主细胞的蛋白相类似的性质,它起源于数亿年前发生的一个偶然的进化事件。相关研究结果发表在2018年1月11日的Cell期刊上,论文标题为“The Neuronal Gene Arc Encodes a Repurposed Retrotransposon Gag Protein that Mediates Intercellular RNA Transfer”。
图片来自Elissa Pastuzyn。

根据美国犹他大学神经科学家Jason Shepherd博士的说法,病毒样蛋白(virus-like protein,也译作类似病毒的蛋白)可能成为大脑中的一种新的细胞间通信形式,这可能会改变我们对记忆是如何产生的理解。

当Shepherd的同事们捕捉到证实蛋白Arc组装成更大结构的图片时,他首先猜测Arc存在一些不同之处。这些结构在形状上类似于月球着陆器的太空舱,看上去很像逆转录病毒HIV的病毒衣壳。 Shepherd研究了这种蛋白15年。他说,“当时,我们对Arc的分子功能和进化历史了解不多。说实话,我几乎对这种蛋白失去了兴趣。在观察到它形成的衣壳结构后,我们知道我们有些有趣的想法。”

之前的研究已表明,缺乏Arc的小鼠忘记了它们在24小时之前学到的东西。而且,它们的大脑缺乏可塑性。在生命早期存在着一个时间窗口,在此期间,大脑就像海绵一样,很容易吸收新的知识和技能。如果缺乏Arc,那么这个时间窗口永远不会打开。

科学家们从没有考虑到负责获取知识的机制可能具有外部起源。如今,Shepherd和他的团队开展的这项新的研究提出了这个有趣的可能性。

重焕生机

观察到Arc具有形成病毒样结构的异常倾向促使Shepherd仔细检查这种蛋白的序列。他发现它的编码区域与病毒衣壳的编码区域相类似。作为病毒感染的一个重要工具,病毒衣壳携带着病毒的遗传信息,并在它的感染者的细胞之间进行运送。

鉴于Arc看起来像一种病毒蛋白,Shepherd和他的同事们设计了一系列实验来测试它是否也像一种病毒蛋白那样发挥作用。他们首先确定了Arc的几个拷贝自我组装成中空的病毒样衣壳,并在这种病毒样衣壳内存储它自己的遗传物质,在这里指的是mRNA。当他们将这种病毒样衣壳加入到培养皿中培养的小鼠脑细胞(即神经元)时,Arc将它的遗传物质转移到这些细胞中。

在病毒侵入宿主细胞中后,它们作好再次感染的准备。看起来Arc以类似的方式发挥作用。Shepherd团队收集了由小鼠神经元释放的蛋白Arc,并确定这种蛋白和它携带的货物能够被另一组神经元摄取。不同于病毒的是,活化的神经元调动蛋白Arc,触发这种蛋白形成的病毒样衣壳释放。

论文第一作者、博士后研究员Elissa Pastuzyn博士说,“我们进入这一研究领域后,知道Arc在很多方面是特殊的,但是当我们发现Arc能够介导RNA的细胞间转运时,我们感到非常震惊。我们知道其他的非病毒蛋白没有这样的行为。”

好运成双

在整个进化过程中,Arc的起源故事通过动物的基因组进行传播。在3.5~4亿年前,一个偶然的事件发生在地球上漫步的四肢动物身上。逆转录病毒的祖先,即逆转录转座子(retrotransposon),将它的遗传物质插入到这些动物的DNA中。这一事件导致我们如今知道的哺乳动物Arc蛋白产生。

这一事件的意义在于它发生了不止一次的事实。在同期Cell期刊上发表的另一篇论文证实,在果蝇中发现的Arc蛋白版本也看起来像病毒衣壳,并且像病毒衣壳那样发挥作用。美国马萨诸塞州大学的Vivian Budnik实验室证实果蝇Arc蛋白将来自神经元的RNA转运到肌肉中来控制运动。尽管哺乳动物Arc蛋白和果蝇Arc蛋白由从同一种类型的逆转录转座子进化而来,但是果蝇中的这一事件要晚发生大约1.5亿年。

论文共同作者、美国康奈尔大学教授Cédric Feschotte博士说,“作为一名进化生物学家,这是令我感到最为兴奋的事情。这一事件至少发生两次的事实让我们认为它发生了更多次。”

Shepherd认为这可能意味着具有这种病毒启发系统是有优势的,而且它可能代表一种新型的细胞间通信。这种假设还有待在哺乳动物中进行测试。他说,“了解Arc囊泡在活体动物中运输哪种货物将对理解这种通路的功能是至关重要的。”

还记得你刚了解到这个不寻常的病毒样蛋白吗?它可能控制着你的记忆。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

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

Surprise: A virus-like protein is important for cognition and memory



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