你大脑里的蛋白,竟和艾滋病病毒是“亲戚”

作者: Ed Yong

来源: 环球科学

发布日期: 2018-01-19

科学家发现人类记忆的关键蛋白Arc与艾滋病病毒的外壳蛋白有亲缘关系,Arc基因源自古老的gypsy反转录转座子,与反转录病毒的gag基因紧密相关。Arc蛋白在神经元间传递RNA信息,类似于病毒的行为,这一发现对理解记忆形成和脑疾病有重要意义。

人类记忆的保存需要用到多种关键蛋白,而其中一种竟然和艾滋病病毒的外壳蛋白有亲缘关系。从显微镜下的第一眼,经历数年怀疑,现在科学家相信确实是这种如同病毒的蛋白,充当了运送 RNA 信息的邮差。

当贾森·谢泼德(Jason Shepherd)第一次在显微镜下看到这个结构时,他觉得那看上去像一堆病毒。可问题是,他研究的根本不是病毒。犹他大学的谢泼德正在研究一种叫做 Arc 的基因,这是他多年来的研究方向,这些基因在神经元中活跃表达,在脑中发挥重要作用。缺少 Arc 的老鼠无法通过学习形成新的长期记忆,例如,它们前一天在迷宫中找到奶酪的路线,第二天就会忘得一干二净。

尽管 Arc 基因很重要,但它确并不易于研究。通常,科学家们通过比较具有相似特点的相似基因,来理解基因的功能。但是 Arc 自成一派。其它的哺乳动物也有自己版本的 Arc,鸟类、爬行类、两栖类动物也一样。但是对于每一种动物,Arc 看上去都是独一无二的,没有和它相像的其他基因。而当谢泼德的研究小组分离出这个基因产生的蛋白,并用高倍显微镜观察之后,他明白了原因。

他看见这些 Arc 蛋白聚合成了空心的球形壳,这与病毒谜之相像。研究揭示了 Arc 源自一组古老的基因:gypsy 反转录转座子。gypsy 在各种动物的基因组中存在,它们会拷贝自己的副本,然后将副本插入到基因组中的别处去。某个时刻,个别基因获得了将自己包裹在另一层糖蛋白和脂膜里、彻底离开宿主细胞的能力。这就是反转录病毒的起源,HIV 也是反转录病毒家族的一员。

所以说,我们的神经细胞用一种类似病毒的基因,以一种类似于病毒的方式在细胞间传递遗传信息,而我们至今才知道这一点。更为奇特的是,其他动物似乎独立地演化出了自己的 Arc。果蝇有 Arc 基因,谢泼德的同事塞德里克·费绍特(Cedric Feschotte)发现它们的 Arc 和我们的源自同一组 gypsy 反转录转座子,但是果蝇和脊椎动物是分别在相隔数百万年的两次事件中,独立演化出了两个基因。

这次发现也有其医学意义。许多脑疾病涉及了 Arc,例如阿尔兹海默症(引起痴呆)、精神分裂症(引起幻觉)、脆性X染色体综合征(引起自闭症)。衰老伴随的心智能力下降或许也与其有关。谢泼德称年轻小鼠产生更多 Arc 蛋白,而老年小鼠则生产较少。如果人为提高老年小鼠脑部视觉中心的 Arc 蛋白水平,可以使它们对新体验的反应像年轻小鼠一样。

这还是更大趋势的一部分:科学家们在近年来发现了多个动物利用病毒相关的基因来获得演化优势的例子。gag 运输遗传信息,因此对细胞间通讯系统是完美的基础设施。病毒还用另一个基因 env 来与宿主细胞融合并且逃脱免疫系统。这些性质对胎盘也至关重要。胎盘是部分哺乳动物用来将母亲和胎儿的组织结合起来的器官。相当确定的是,对胎盘不可或缺的 syncytin 基因,实际上来源于 env。

看来,我们身体的很多地方都和病毒有着相当密切的关系。

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