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一种病毒样蛋白可能正在控制着你的记忆!

2018/01/16 来源:中国生物技术网
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导读
科学家发现,与认知和长期记忆存储相关的某蛋白质的外观和行为都非常类似一种病毒蛋白。这种名为Arc的蛋白质拥有与病毒用于感染宿主细胞的蛋白质类似的性质,它来源于几百万年前的偶然性突变事件。美国尤他健康大学的神经科学家Jason Shepherd是该研究的通讯作者。根据他的说法,这种病毒样蛋白质可能成为大脑中细胞间通讯的一种新形式,这一结论可能改变我们对记忆形成方式的理解。该研究于近日发表在《Cell》上。


Arc蛋白类似病毒感染宿主细胞的过程。图片来源: Chris Manfre

本文转载自“中国生物技术网”。

Shepherd的同事捕捉到一幅Arc图像,该图像表明Arc被装配成大的结构。Shepherd据此推测Arc存在不同之处。这些结构的形状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已经对该蛋白质进行了长达15年的研究,他说:“当时,我们并不太了解Arc的分子功能和进化历史。说实话,我已经对这种蛋白质失去了兴趣。在看到这个衣壳之后,我知道我们发现了有趣的事情。”


研究的不足并非因为缺乏有趣的研究主题。过去的工作表明,缺乏Arc的小鼠会忘记24小时之前学习过的内容。此外,它们的大脑缺乏可塑性。在生命早期的某段时间,大脑会有点像海绵,很容易吸收新的知识和技能。如果没有Arc,这个时间窗就永远不会打开。科学家们从来没有认为负责获取知识的机制来源于外部。现在,Shepherd团队的这项工作表明这种可能性是存在的。

重焕生机

在观察到Arc这种形成类似病毒结构的不寻常的能力之后,Shepherd开始重新审视这种蛋白质并仔细检查它的序列。他发现,Arc的编码区域与病毒衣壳的非常相似。衣壳是病毒感染的必要工具,它携带着病毒的遗传信息,并将其投递到宿主的细胞中。

因为Arc看起来像病毒蛋白,所以Shepherd和同事们设计了一系列实验来测试它的行为是否也与病毒相似。他们首先确定,有些Arc会自组装成为类似病毒的空心衣壳,并会将自己的遗传物质(mRNA)放置其中。之后研究人员将这种衣壳注入到小鼠脑细胞(神经元)中,并将细胞放在培养皿中,Arc会把自己的遗传物质释放到细胞中。


Arc进入神经元之后,表达存储在Arc中的遗传物质。图片来源: Elissa Pastuzyn

在病毒入侵宿主细胞之后,它们作好再次感染的准备。Arc的行为方式与之类似。研究人员将小鼠大脑神经元中释放出来的Arc收集,他们发现,这些蛋白质和它们的基因物质还会进入到其他的神经元中。与病毒不同的是,活化的神经元会调动Arc,触发衣壳被释放出来。

该研究的第一作者,Elissa Pastuzyn博士说:“经过一系列的研究我们知道Arc在很多方面都是特殊的,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。”

“被闪电劈中两次”

Arc起源的故事在整个进化过程中通过动物的基因组传播。3.5亿至4亿年前,一个偶然事件发生在了地球上漫游的四肢生物身上。逆转录病毒的祖先,即逆转录转座子,将自己的遗传物质插入到这些动物的DNA中。这件事情塑造了当今哺乳动物的Arc蛋白质。

事实上,这种事情发生了不止一次。《Cell》上的另一篇论文表明,果蝇体内中的一种Arc蛋白质的外观和行为也类似于病毒壳衣。美国马萨诸塞州大学Vivian Budnik的实验室证实,果蝇的Arc蛋白质能够将RNA从神经元转移到肌肉中,从而控制运动。尽管哺乳动物和果蝇的Arc都从同一类型的逆转录转座子进化而来,但是这件事情发生在果蝇身上晚了1.5亿年。

康乃尔大学的Cédric Feschotte博士是作者之一,他说:“作为一名进化生物学家,这个现象对我来说太有趣了。既然这种现象已经发生了两次,那么我们有理由相信它不仅仅发生了这两次。”

Shepherd相信,拥有这种类似病毒的启发系统是有益的,它或许代表了一种细胞间通信的新形式。这个假设还有待在哺乳动物中进行验证。他说:“弄清楚Arc向活体动物体内运输了什么样的遗传物质对于我们理解这一生物通路的功能是非常重要的。”

记住这种不寻常的病毒样蛋白了吗?它很有可能正在控制你的记忆。

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