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神經元之間竟能傳遞遺傳訊息! Arc 基因扮演關鍵角色

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Arc 基因在腦部學習和記憶中,扮演相當重要的角色,然而詳細調控機制卻仍不清楚。此外,也有研究指出,Arc 蛋白與 HIV 病毒中的蛋白有許多相似之處,因此 Arc 蛋白被歸類於類病毒蛋白(virus-like protein)。

近日,猶他大學(University of Utah)神經學家 Jason Shepherd 博士和麻省大學醫學院(University of Massachusetts Medical School)生物學家 Vivian Budnik 博士各自所率領的研究團隊,分別在小鼠和果蠅中發現,Arc 基因能像病毒一樣,把它的遺傳物質(genetic material)從一個神經元(neuron)傳遞到另一個神經元。這二項研究提出一個神經細胞之間互動的新方法,且刊登於《細胞》期刊。

這二個研究團隊都發現,神經元釋放出的胞外囊泡(extracellular vesicles)中,都有 Arc 基因存在。當他們分析小鼠和果蠅的 Arc 基因序列時,發現 Arc 基因與一種名為 gag 的病毒基因非常相似。HIV 等反轉錄病毒(retroviruses)會利用 gag 基因編碼而成的 gag 蛋白,進行組裝保護病毒的衣殼(capsids),使得病毒能在細胞之間傳遞它的遺傳物質,進而感染宿主。他們也透過高解析度顯微鏡發現,Arc 蛋白組成結構與病毒衣殼相似,而且攜帶能編碼 Arc 的遺傳訊息或 mRNA,然後這些衣殼被包覆於細胞膜中,並且作為胞外囊泡從細胞中釋放出來。

Budnik 博士研究團隊指出,連結到肌肉細胞的運動神經元可以生產含有 Arc 的囊泡。當囊泡到達肌肉細胞後,會融合於肌肉細胞膜中,接著釋放 Arc 蛋白和 Arc mRNA。雖然目前仍不清楚這些物質對肌肉細胞的具體功能,但 Budnik博士發現,缺乏 Arc 基因的果蠅中,其肌肉細胞和神經元之間的連結就會減少。

Shepherd 博士研究團隊從小鼠大腦取得的神經元也呈現相似的結果,當一群吸收從其他神經元釋放出的胞外囊泡的神經元被刺激產生神經衝動時,就會以 Arc mRNA 為模板轉譯成 Arc 蛋白。

Budnik 博士和 Shepherd 博士都認為,當動物的神經系統發育或適應新的環境或形成記憶時,含有 Arc 的囊泡能幫助神經元之間連結的形成和中斷。果蠅和小鼠的 Arc 雖然比較相似,但它們似乎起源於不同的二種反轉錄病毒,而且二種病毒進入動物體內的時間也不盡相同。

美國國家衛生研究院(National Institutes of Health)Edmund Talley 博士指出,從這二項研究可以得知神經科學基礎研究的重要性。此外,該研究結果「神經元之間會互相傳遞遺傳訊息」,給未來從事記憶相關基因和阿茲海默症(Alzheimer’s disease)等神經疾病研究的研究團隊,提供一個全新的研究方向。

延伸閱讀:記憶的小偷:阿茲海默症(上)

參考資料:
1. https://www.nih.gov/news-events/news-releases/memory-gene-goes-viral
2. Pastuzyn ED, et al. Cell. 2018 Jan 11;172(1-2):275-288.
3. Ashley J, et al. Cell. 2018 Jan 11;172(1-2):262-274.
4. https://www.nature.com/articles/d41586-018-00492-w

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