人腦里的一種蛋白，竟和艾滋病病毒是「親戚」
人類記憶的保存需要用到多種關鍵蛋白，而其中一種竟然和艾滋病病毒的外殼蛋白有親緣關係。從顯微鏡下的第一眼，經曆數年懷疑，現在科學家相信確實是這種如同病毒的蛋白，充當了運送 RNA 信息的郵差。
當賈森·謝潑德（Jason Shepherd）第一次在顯微鏡下看到這個結構時，他覺得那看上去像一堆病毒。可問題是，他研究的根本不是病毒。
猶他大學的謝潑德正在研究一種叫做Arc 的基因，這是他多年來的研究方向，這些基因在神經元中活躍表達，在腦中發揮重要作用。缺少 Arc 的老鼠無法通過學習形成新的長期記憶，例如，它們前一天在迷宮中找到乳酪的路線，第二天就會忘得一乾二淨。「他們似乎不能響應、適應環境的變化，」Shepherd說，「Arc 是將體驗到的信息轉化為大腦變化的關鍵。」
儘管 Arc 基因很重要，但它確並不易於研究。通常，科學家們通過比較具有相似特點的相似基因，來理解基因的功能。但是 Arc 自成一派。其它的哺乳動物也有自己版本的 Arc，鳥類、爬行類、兩棲類動物也一樣。但是對於每一種動物，Arc 看上去都是獨一無二的，沒有和它相像的其他基因。而當謝潑德的研究小組分離出這個基因產生的蛋白，並用高倍顯微鏡觀察之後，他明白了原因。
他看見這些 Arc 蛋白聚合成了空心的球形殼，這與病毒謎之相像。「當我們看著它們時，我們在想，這些是什麼東西？」 謝潑德說。這些球殼讓他想起了教科書上的 HIV 照片。當他向 HIV 專家展示拍到的圖片時，HIV 專家們證實了他的懷疑。老實說，這真是個巨大的驚喜。「居然有一個大腦基因製造出長得像病毒一樣的東西！」 謝潑德說。
古老基因原來是病毒的表親
這並不只是巧合。研究揭示了 Arc 源自一組古老的基因：gypsy 反轉錄轉座子（gypsy retrotransposons）。gypsy 在各種動物的基因組中存在，它們會拷貝自己的副本，然後將副本插入到基因組中的別處去。某個時刻，個別基因獲得了將自己包裹在另一層糖蛋白和脂膜里、徹底離開宿主細胞的能力。這就是反轉錄病毒的起源，HIV 也是反轉錄病毒家族的一員。
所以，Arc 基因就像是這些病毒進化生物學上的表親，這解釋了它們為何產生類似的殼。準確地說，Arc 和反轉錄病毒用來建造蛋白外殼的病毒基因 gag 緊密相關。其他科學家也注意過這種相似性。2006年，一個研究組在人類基因中搜索類似 gag 的基因時，就把 Arc 列為了候選之一。他們沒再跟進，而「作為神經科學家，我們從沒看過基因組學的論文，所以我們直到很久之後才發現了它。」 謝潑德說。
相似性還不僅於此。當基因被激活後，編碼在 DNA 中的指令首先會被轉錄到RNA 分子中。謝潑德的同事埃莉薩·帕斯圖森（Elissa Pastuzyn）發現 Arc 外殼可以將 RNA 包裹其中，從一個神經細胞轉移到另一個細胞。這基本上就是反轉錄病毒做的事情了——它們在細胞間穿梭時，用蛋白外殼保護和運輸自己的 RNA。
所以說，我們的神經細胞用一種類似病毒的基因，以一種類似於病毒的方式在細胞間傳遞遺傳信息，而我們至今才知道這一點。「神經元到底為什麼要做這些呢？」 謝潑德說，「我們還不知道答案。」一個大膽的猜想是，神經細胞用 Arc 和它運輸的 RNA 彼此影響，一個細胞可以用 Arc 來運輸 RNA 使得周圍的另一個細胞改變被激活的基因。這又「和病毒做得非常相似——改變細胞的狀態來製造病毒自己的基因。」 謝潑德說。
記憶是一種病毒嗎？
「我們比一開始時有更多問題，」他說，「運輸的 RNA 是什麼？攜帶的是什麼信息？當 Arc 被神經元釋放後，它能走多遠？」或許更重要的是，這些如何影響大腦？如果研究組不讓神經元釋放 Arc，將如何影響該動物學習和形成新記憶的能力？「我知道人們在想什麼：記憶難道是一種病毒嗎？」 謝潑德笑著說。
更為奇特的是，其他動物似乎獨立地演化出了自己的 Arc。果蠅有 Arc 基因，謝潑德的同事塞德里克·費紹特（Cedric Feschotte）發現它們的 Arc 和我們的源自同一組 gypsy 反轉錄轉座子，但是果蠅和脊椎動物是分別在相隔數百萬年的兩次事件中，獨立演化出了兩個基因。然而，兩次事件產生的基因相似，它們干著相似的活：另一個研究組揭示了果蠅版本的 Arc 同樣在神經元間用病毒般的殼運送 RNA。「想到這樣一個事件可以發生兩次，真是令人激動。」 阿德萊德大學的阿特馬·伊萬切維奇（Atma Ivancevic）說。
這次發現也有其醫學意義。許多腦疾病涉及了 Arc，例如阿爾茲海默症（引起痴呆）、精神分裂症（引起幻覺）、脆性X染色體綜合征（引起自閉症）。衰老伴隨的心智能力下降或許也與其有關。謝潑德稱年輕小鼠產生更多 Arc 蛋白，而老年小鼠則生產較少。如果人為提高老年小鼠腦部視覺中心的 Arc 蛋白水平，可以使它們對新體驗的反應像年輕小鼠一樣。
「這可能只是冰山一角，」 福瑞德哈金森腫瘤研究中心的哈米特·馬利克（Harmit Malik）說。缺少 Arc 基因的動物，比如魚類，完全有可能「利用完全不同的馴化版 gag 蛋白來達到相同的目的。」的確，人類基因組裡有超過100個源自 gag 的基因，它們都在做什麼呢？
這還是更大趨勢的一部分：科學家們在近年來發現了多個動物利用病毒相關的基因來獲得演化優勢的例子。gag 運輸遺傳信息，因此對細胞間通訊系統是完美的基礎設施。病毒還用另一個基因 env 來與宿主細胞融合併且逃脫免疫系統。這些性質對胎盤也至關重要。胎盤是部分哺乳動物用來將母親和胎兒的組織結合起來的器官。相當確定的是，對胎盤不可或缺的 syncytin 基因，實際上來源於 env。看來，我們身體的很多地方都和病毒有著相當密切的關係。
撰文 | Ed Yong
翻譯 | 顧金濤
審校 | 吳非
文章來源:
https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/01/brain-cells-can-share-information-using-a-gene-that-came-from-viruses/550403/
參考論文：
Pastuzyn, E. D. et al. The Neuronal Gene Arc Encodes a Repurposed Retrotransposon Gag Protein that Mediates Intercellular RNA Transfer. Cell 172, 275–288.e18 (2018).
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