Мнение

"Память – это вирус?" Как клетки мозга передают информацию с помощью вирусоподобных капсул

Ген под названием Arc играет жизненно важную роль в мозговой деятельности. Каждый вид млекопитающих имеет свою собственную версию данного гена.

Джейсон Шеферд из университета Юты изучает ген под названием Arc. Данный ген активен в нейронах и играет жизненно важную роль в мозговой деятельности. Мышь, рожденная без гена Arc неспособна к обучению или формированию долговременной памяти. Если такая мышь найдет сыр в лабиринте, уже на следующий день она забудет правильный путь.

"Создается впечатление, что они не реагируют или не могут приспособиться к изменениям окружающей обстановки, – говорит Шеферд. – Arc – это ключевой элемент в процессе того, как приобретённый опыт трансформирует наш мозг".

Изучение данного гена очень важно, хотя и сопряжено с существенными трудностями. Зачастую изучение особенностей гена происходит путем сравнения его с другими уже знакомыми генами со схожими свойствами. Но Arc – он единственный в своем роде. Каждый вид млекопитающих имеет свою собственную версию данного гена. То же самое можно сказать и о птицах, пресмыкающихся и земноводных. Но в организме каждого животного Arc абсолютно уникален. Почему нет ни одного другого схожего гена? Шеферд выяснил причину этого, когда выделил белки, вырабатываемые с помощью данного гена, и посмотрел на них через мощный микроскоп.

Учёный обнаружил, что Arc-протеины собираются в полые сферические оболочки невероятно похожие на вирусы. "Когда мы на них взглянули, то подумали: Что это такое?", – говорит Шеферд. Ему это показалось похожим на иллюстрацию из учебника по ВИЧ. А когда он показал свои изображения экспертам по ВИЧ, они подтвердили его догадки. И нужно сказать прямо, это был большой сюрприз. "Перед нами был ген мозга, который связан с производством чего-то вирусоподобного", – говорит Шеферд.

И это не совпадение. Его команда установила, что Arc восходит к древней группе генов, называемых "цыганские" ретротранспозоны, которые содержатся в геномах различных животных, но ведут себя как независимые единицы. Они могут производить новые копии самих себя и вставлять эти копии в любом месте содержащего их генома. В какой-то момент некоторые из этих генов обрели способность заключать самих себя в белковой оболочку и полностью покидать материнскую клетку. Так и возникли ретровирусы – семейство вирусов, включающее и ВИЧ.

То есть Arc – это с эволюционной точки зрения родственник таких вирусов. Это объясняет, почему они производят оболочки, так похожие на вирусные. Больше всего Arc близок к вирусному гену, называемому Gag, который ретровирусы, подобные ВИЧ, используют для строительства белковой оболочки, заключающей их генетический материал. Это сходство обнаруживалось учеными и ранее. В 2006 г. группа ученых занималась поиском человеческих генов, схожих с Gag, и в список кандидатов был включен Arc. Но они не пошли дальше. "Как неврологи мы никогда не заглядывали в издания по генетике, поэтому мы долго и не обращали на это внимания", – говорит Шеферд.

Вирусо-подобные оболочки, которые движутся от одного нейрона к другому

Но сходство на этом не заканчивается. Когда гены становятся активированными, инструкции, закодированные в ДНК в первую очередь транскрибируются в соответствующую молекулу РНК. Коллега Шеферда Элисса Пастузин установила, что оболочки гена Arc могут включать РНК и переносить ее от одного нейрона к другому. Но именно этим и занимаются ретровирусы – они используют белковую оболочку, чтобы защитить собственную РНК пока она перемещается между клетками организма-хозяина.

Таким образом нейроны используют вирусоподобный ген, чтобы передавать друг другу генетическую информацию. И делают это странным "вирусным" путем, о существовании которого до настоящего времени мы не имели ни малейшего представления. "Но зачем нейронам это нужно? – задается вопросом Шеферд. – Неизвестно".

Одна из возможных причин в том, что нейроны используют Arc (и как транспортное средство тоже) для воздействия друг на друга. Одна клетка может использовать Arc, чтобы перенести РНК, чтобы изменить активированные гены в соседней клетке. "Опять же, это очень похоже на то, чем занимаются вирусы, – изменение состояния клетки, чтобы начать воспроизводство собственных генов", – говорит Шеферд.

"Но теперь, когда мы пошли дальше, у нас еще больше вопросов, – добавляет он. – Что несет в себе РНК? Какой сигнал заключен в оболочке гена Arc? Как далеко может уйти Arc, будучи высвобожденны нейроном? И что возможно самое важное, как все это влияет на мозг? Если ученые остановят высвобождение Arc нейронами, как это повлияет на способность животных к обучению и формированию новой памяти?".

"Я вижу, как люди начинают задаваться вопросом: память – это вирус?" – смеется Шеферд.

И как будто этого мало! Эволюция других животных, как теперь кажется, независимо привела к возникновению у них их собственных версий Arc. У плодовых мушек есть Arc-ген. И коллега Шеферда Седрик Фешлотте продемонстрировал, что они восходят к той же группе "цыганских" ретротранспозонов, от которых произошли и наши Arc-гены. Но плодовые мушки и позвоночные животные приобрели эти гены независимо, в результате двух разных событий, имевших место с разницей в миллионы лет. Несмотря на это, оба события привели к образованию схожих генов, которые ответственны за схожие вещи: еще одна команда ученых продемонстрировала, что версия Arc-гена мух пересылает РНК между нейронами в вирусоподобных капсулах. "Невероятно, но такой (эволюционный) процесс имел место дважды", – говорит Атма Иванчевич и университета Аделаиды.

Это открытие имеет и медицинское значение. Arc влияет на развитие многих мозговых нарушений, таких как болезнь Альцгеймера, шизофрения, Синдро́м Ма́ртина – Белл (синдром ломкой X-хромосомы). Он также может быть связан с психическими отклонениями, которые сопровождают процесс старения. Шеферд говорит, что молодые мыши вырабатывают много Arc-протеинов, а старые – значительно меньше. И если он искусственно повышал уровень Arc-протеинов в зрительном центре мозга старых мышей, то они становились такими же восприимчивыми к новому опыту, как и молодые грызуны.

"Это может быть только вершина огромного айсберга, – говорит Хармит Малик из исследовательского онкологического центра Фрэда Хатчинсона. Вполне возможно, что животные, у которых мало Arc-генов, например рыбы, "используют совершенно иные прирученные Gag-протеины для достижения тех же целей. Ведь действительно, человеческий геном содержит более 100 Gag-подобных генов. Какую роль они все играют?"

Это только часть более широкого тренда в исследованиях. За последние годы ученые открыли несколько путей, которыми животные используют эволюционные преимущества связанных с вирусами генов для своих нужд. Gag переносит генетическую информацию между клетками. И это делает его прекрасной основой коммуникационной системы. Вирусы используют другой ген, называемый Env для проникновения в клетку и защиты от иммунной системы. Такие же свойства жизненно важны для плаценты – органа млекопитающих, который объединяет ткани материнского организма и плода. И конечно же ген под названием Syncytin, играющий существенную роль в развитии плаценты, происходит от Env. То есть многое в наших с вами организмах по сути имеет вирусную природу.

Оригинал материала: Ed Yong / The Atlantic

Перевод: Денис Чигиринов

Подписывайтесь на страницу СПИД.ЦЕНТРа в фейсбуке

Подписывайтесь на канал  СПИД.ЦЕНТРа  в Яндекс.Дзене
Google Chrome Firefox Opera