神经元之间竟能传递遗传讯息! Arc 基因扮演关键角色

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Arc 基因在脑部学习和记忆中,扮演相当重要的角色,然而详细调控机制却仍不清楚。此外,也有研究指出,Arc 蛋白与 HIV 病毒中的蛋白有许多相似之处,因此 Arc 蛋白被归类于类病毒蛋白(virus-like protein)。

近日,犹他大学(University of Utah)神经学家 Jason Shepherd 博士和麻省大学医学院(University of Massachusetts Medical School)生物学家 Vivian Budnik 博士各自所率领的研究团队,分别在小鼠和果蝇中发现,Arc 基因能像病毒一样,把它的遗传物质(genetic material)从一个神经元(neuron)传递到另一个神经元。这二项研究提出一个神经细胞之间互动的新方法,且刊登于《细胞》期刊。

这二个研究团队都发现,神经元释放出的胞外囊泡(extracellular vesicles)中,都有 Arc 基因存在。当他们分析小鼠和果蝇的 Arc 基因序列时,发现 Arc 基因与一种名为 gag 的病毒基因非常相似。HIV 等反转录病毒(retroviruses)会利用 gag 基因编码而成的 gag 蛋白,进行组装保护病毒的衣壳(capsids),使得病毒能在细胞之间传递它的遗传物质,进而感染宿主。他们也透过高分辨率显微镜发现,Arc 蛋白组成结构与病毒衣壳相似,而且携带能编码 Arc 的遗传讯息或 mRNA,然后这些衣壳被包覆于细胞膜中,并且作为胞外囊泡从细胞中释放出来。

Budnik 博士研究团队指出,连结到肌肉细胞的运动神经元可以生产含有 Arc 的囊泡。当囊泡到达肌肉细胞后,会融合于肌肉细胞膜中,接着释放 Arc 蛋白和 Arc mRNA。虽然目前仍不清楚这些物质对肌肉细胞的具体功能,但 Budnik博士发现,缺乏 Arc 基因的果蝇中,其肌肉细胞和神经元之间的连结就会减少。

Shepherd 博士研究团队从小鼠大脑取得的神经元也呈现相似的结果,当一群吸收从其他神经元释放出的胞外囊泡的神经元被刺激产生神经冲动时,就会以 Arc mRNA 为模板转译成 Arc 蛋白。

Budnik 博士和 Shepherd 博士都认为,当动物的神经系统发育或适应新的环境或形成记忆时,含有 Arc 的囊泡能帮助神经元之间连结的形成和中断。果蝇和小鼠的 Arc 虽然比较相似,但它们似乎起源于不同的二种反转录病毒,而且二种病毒进入动物体内的时间也不尽相同。

美国国家卫生研究院(National Institutes of Health)Edmund Talley 博士指出,从这二项研究可以得知神经科学基础研究的重要性。此外,该研究结果“神经元之间会互相传递遗传讯息”,给未来从事记忆相关基因和阿兹海默症(Alzheimer’s disease)等神经疾病研究的研究团队,提供一个全新的研究方向。

延伸阅读:记忆的小偷:阿兹海默症(上)

参考资料:
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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