Вы здесь

Клетки мозга совместно используют вирусоподобные капсулы

Ген Arc, который имеет решающее значение для способности животных учиться на опыте, имеет невероятную историю происхождения.

Когда Джейсон Шепард (Jason Shepherd) впервые увидел эти структуры под микроскопом, он подумал, что они похожи на вирусы. Проблема заключалась в том, что он не изучал вирусы.

Шепард изучает ген Arc, (Activity-regulated cytoskeleton-associated protein), который активен в нейронах и играет жизненно важную роль в мозге. Мышь, рожденная без этого гена, не может чему-либо научиться, то есть сформировать новые долгосрочные воспоминания. Если она найдет сыр в лабиринте, то на следующий день полностью забудет правильный маршрут.

– Они не могут реагировать на изменения среды и адаптироваться к ним, – говорит Шепард, который работает в Университете штата Юта и много лет занимается геном Arc. 

– Он действительно является ключевым фактором при передаче информации о событиях, приводящей к изменениям в мозге. 

Несмотря на свою важность, Arc – очень трудный для изучения ген. Ученые часто изучают то, что делают неизвестные гены, сравнивая их с уже известными с похожими признаками. Но Arc – единственный в своем роде. У других млекопитающих есть свои версии Arc, как и у птиц, рептилий и земноводных. Но у каждого животного Arc совершенно уникальной – нет такого же второго. И Шепард узнал, почему, когда его команда выделила белки, сделанные этим геном, и он посмотрел на них под мощным микроскопом.

Он увидел, что Arc белки собираются в полые сферические оболочки, которые выглядят странно, как вирусы.

– Когда мы посмотрели на них, то удивились: что это такое?» – говорит Шепард. Они напомнили ему картинки из учебников по ВИЧ-инфекции, и когда он показал образцы ВИЧ-специалистам, они подтвердили его подозрения.

– Это, если честно, было огромным сюрпризом. Вот ген мозга, который делает что-то похожее на вирус», – говорит Шепард. 

Это не совпадение. Команда показала, что Arc происходит из древней группы генов, называемых «цыганскими ретротранспозонами», которые существуют в геномах разных животных, но могут вести себя как их собственные независимые сущности в них.* Они могут создавать новые копии самих себя и вставлять эти дубликаты в другое место в геноме хозяина. В какой-то момент некоторые из этих генов получили возможность заключать себя в оболочку белков и полностью покидать клетки-хозяева. Это было источником ретровирусов – семейства вирусов, которые включают ВИЧ.

Итак, гены Arc являются эволюционными кузенами этих вирусов, что объясняет, почему они создают настолько похожие оболочки. В частности, Arc тесно связан с вирусным геном, называемым «gag», который ретровирусы, такие как ВИЧ, используют для сборки белковых оболочек, включающих их генетический материал. Другие ученые уже заметили это сходство. В 2006 году одна группа искала гены человека, которые выглядели как gag, и они включили Arc в свой список кандидатов. Они никогда не следили за этим намеком.

– Как нейробиологи, мы никогда не смотрели на расшифровки геномов, поэтому мы так долго не могли его найти», – говорит Шепард.

 Сходство на этом не заканчивается. Когда гены активируются, инструкции, закодированные в их ДНК, сначала транскрибируются в родственную молекулу, называемую РНК. Коллега Шепарда Элисса Пастузин (Elissa Pastuzyn) показала, что капсулы Arc могут заключать РНК и перемещать ее из одного нейрона в другой. И это в основном то, что делают ретровирусы – они используют белковые оболочки, чтобы защитить свою собственную РНК, когда она перемещается между клетками в организме.

– Так что наши нейроны используют вирусоподобный ген для передачи генетической информации между собой странным вирусным способом, о котором мы до сих пор понятия не имели. Какого черта нейроны хотят это сделать? – говорит Шепард, – Мы не знаем. Одна невероятная гипотеза заключается в том, что нейроны используют Arc (и его содержание), чтобы влиять друг на друга. Одна клетка может использовать Arc для доставки РНК, которая изменяет гены, активируемые в соседней клетке. Опять же, – это очень похоже на то, что делает вирус – изменяет состояние клетки, чтобы сделать свои собственные гены, – говорит Шепард.

– У нас теперь больше вопросов, чем когда мы начинали», – говорит он. – Что такое РНК-груз? Что сигнал (капсула Arc) несет? Когда Arc высвобождается нейроном, как далеко он может проникнуть? И, возможно, что более важно, как все это влияет на мозг? Если это команда нейрону на остановку выделения Arc, как это влияет на способность животного учиться или формировать новые воспоминания?

– Я предвижу, что подумают люди: память – это вирус? – говорит Шепард, смеясь.

Как бы это ни было странно, другие животные, похоже, самостоятельно разработали свои собственные версии Arc. У плодовых мух тоже есть гены Arc, и коллега Шепарда Седрик Фесотт (Cedric Feschotte) показал, что они происходят из той же группы «цыганских ретротранспозонов», что были предками и наших. Но мухи и копытные животные кооптировали эти гены самостоятельно, в разные периоды, отстоящие друг от друга на миллионы лет. И все же, оба события породили похожие гены, которые делают подобные вещи: другая команда показала, что версии Arc мух также отправляют РНК между нейронами в виде вирусоподобных капсул.  «Удивительно, что такой процесс может произойти дважды», – говорит Атма Иванцевич (Атма М Ivancevic) из Университета Аделаиды. 

Это открытие также имеет большое медицинское значение. Arc вовлечен во многие нарушения мозга, такие как болезнь Альцгеймера, шизофрения и синдром Мартина – Белл. Это может также быть связано с психическими отклонениями, которые сопровождают старение. Шепард говорит, что молодые мыши производят большое количество белка Arc, а старые мыши намного меньше. Если он искусственно повышает уровни белка Arc в визуальных центрах мозга старых мышей, то может сделать их восприимчивыми к новым переживаниям, как и у более молодых грызунов.

 – Это может быть верхушкой гигантского айсберга, – говорит Хармит Малик (Harmit Malik) из исследовательского центра рака Фреда Хатчинсона.

– Вполне возможно, что животные, которым не хватает Arc генов, такие как рыба, используют совершенно другие белки gag, приспособленные для достижения той же цели. Действительно, геном человека имеет более 100 генов, полученных от gag. Что они все делают?

Это часть более широкой тенденции: ученые в последние годы обнаружили несколько способов, которыми животные использовали свойства генов, связанных с вирусом, для получения эволюционного преимущества. Gag перемещает генетическую информацию между клетками, поэтому он идеально подходит в качестве основы системы связи. Вирусы используют другой ген под названием «env» для слияния с клетками хозяина и избегания отторжения иммунной системой. Те же самые свойства жизненно важны для плаценты – органа млекопитающих, который соединяет ткани матери и зародыша. И будьте уверены, что ген под названием синцитином, который имеет большое значение для создания плаценты, фактически происходит от env. Большая часть нашей биологии оказывается вирусной по своей природе

* Эта статья была скорректирована с учетом того факта, что гены Arc были кооптированы животными из группы генов, которые также приводили к возникновению ретровирусов и не были непосредственно получены из ретровирусов, как изначально было изложено.  Мы сожалеем об ошибке.

Эд Йонг (Ed Yong) The Atlantic 12/01/2018

Поделиться