Нейроны в мозге общаются… по-вирусячьи

Когда Джейсон Шеферд из Университета Юты (США) впервые увидел эти структуры в микроскоп, то подумал, что они похожи на вирусы. Вот только смотрел он не на вирусы.

Шеферд уже много лет изучает ген Arc, который активен в нейронах и играет важную роль в мозге. Мышь, у которой Arc отключен, не способна к обучению или формированию долговременной памяти: отыскав сыр в лабиринте, она уже на следующий день забудет дорогу к нему. При этом исследовать ген непросто: у каждого зверя, каждой птицы, рептилии, амфибии – своя уникальная версия Arc, и сравнивать его работу у разных животных – сам черт ногу сломит. Гены Arc даже более уникальны, чем все представляли, – это Шеферд понял, когда выделил белки, производимые геном, и посмотрел на них в микроскоп.

Белковые капсулы Arc в нейроне крысы. Фото: Pastuzyn et al., 2018.

Оказалось, что эти белки собираются в полые сферические капсулы, до жути похожие на капсиды – белковые оболочки, защищающие наследственный материал вирусов. Шеферд сразу вспомнил картинки из учебников, изображающие ВИЧ, и показал микрофотографии экспертам по ВИЧ – те подтвердили: капсулы и правда похожи на ВИЧ. Все были в шоке. «Этот ген в мозге производит нечто, что выглядит как вирус!» – шепчет ученый, выпучив глаза.

И это не случайность. Своим происхождением ген Arc связан с древними ретротранспозонами группы gypsy, которые присутствуют в ДНК различных животных, но часто ведут себя независимо и по-цыгански: копируют себя, встревают тут и там в геном носителя. В какой-то момент некоторые из этих «цыган» обрели способность одеваться в белковые оболочки и с криком «чао!» покидать клетки хозяина – так появились ретровирусы, к которым относится и ВИЧ.

Таким образом, гены Arc являются эволюционными «кузенами» ретровирусов, что объясняет, почему они производят оболочки, похожие на вирусные капсиды. Если конкретнее, то Arc состоит в близком родстве с геном gag, который у ретровирусов отвечает за строительство капсида. Ученые и раньше замечали это сходство: в 2006 году одна научная группа, занимавшаяся поиском человеческих генов, похожих на gag, включила Arc в список кандидатов. Дальше списка, правда, дело не пошло. «А мы, будучи нейробиологами, и не смотрели никогда статьи по геномике, так что узнали об этом значительно позже», – объясняет Шеферд.

Сходства на этом не заканчиваются. При активации генов инструкции, записанные в их ДНК, сначала переписываются на РНК. Элисса Пастузин, коллега Шеферда и первый автор итоговой публикации, показала, что оболочка Arc может заключать в себя РНК, которая затем переносится в ней от одного нейрона к другому. То же самое обычно происходит у ретровирусов: РНК в капсиде перемещается из клетки в клетку.

«Мы стали работать в этом направлении, уже зная, что Arc – во многом особенный ген, – рассказывает Пастузин. – Но когда мы поняли, что его белок выступает в роли посредника в межклеточном транспорте РНК, то были просто ошеломлены! Ни один другой известный нам невирусный белок не ведет себя подобным образом».

Получается, что наши нейроны используют вирусоподобный ген, чтобы обмениваться друг с другом генетической информацией в вирусячьей манере, и до сегодняшнего дня никто об этом не знал. «На кой черт нейронам это нужно?! – визжит Шеферд. – Мы не знаем». Возможно, с помощью Arc – а точнее, груза в произведенной им оболочке – нейроны влияют друг на друга: РНК-бандеролька меняет гены в соседней клетке. Опять же, вирусы ведут себя схожим образом: вносят изменения в геном клетки, заставляя ее производить вирусные копии.

«Сейчас у нас больше вопросов, чем было до того, как мы все это затеяли, – говорит Шеферд. – Что собой представляет РНК-груз? Что за сигнал такой переносится в оболочках Arc? Как далеко эти капсулы, произведенные нейроном, могут перемещаться?» И что самое важное, как все это отражается на работе мозга? Если помешать нейронам производить белки Arc, как это повлияет на способность животного к обучению и на его память? Неужели память – это вирус?!

Что еще более странно, разные животные, похоже, приобрели свои версии гена независимо друг от друга. Седрик Фешотт, еще один коллега и соавтор Шеферда, выяснил, что Arc дрозофил произошел от той же группы gypsy-ретротранспозонов, что и наш вариант гена, только случилось это на 150 миллионов лет позже. И тем не менее мушиный Arc точно так же рассылает РНК в капсидообразных оболочках по соседним нейронам – и к мышцам. «Для меня, как эволюционного биолога, это самое поразительное, – признается Фешотт. – Тот факт, что такое событие случилось по меньшей мере дважды, позволяет думать, что оно могло произойти еще не раз».

В другом исследовании группы Шеферда установлено, что у юных мышей производится много белка Arc, а у старых – меньше. Если искусственно увеличить уровень белка Arc в зрительных центрах мозга у мышек-старушек, они становятся более восприимчивы к новому опыту – прям на уровне мышек-молодушек. Но вся эта научная муть не отвлекала ученых от действительно важных дел.

Не исключено, что животные, у которых генов Arc нет, например рыбы, для тех же целей адаптировали какие-то иные варианты вирусного gag. Даже в человеческом геноме таких генов, связанных происхождением с gag, под сотню. Что они все делают?

Ген gag, формирующий капсид, помогает РНК вируса безбоязненно перемещаться из клетки в клетку, и в качестве основы для системы коммуникации – подобной той, что обнаружена в нейронах, – он идеален. Надо сказать, это не единственный случай, когда животные используют свойства вирусных генов для собственного эволюционного блага. К примеру, ген env помогает вирусу сливаться с клеточной мембраной (для последующего проникновения) – это свойство очень пригодилось в плаценте млекопитающего, где материнские ткани контактируют с тканями младенца. Ген syncytin, жизненно необходимый для формирования плаценты, происходит как раз от вирусного env. Похоже на то, что многими аспектами нашей биологии мы обязаны вирусам.

Текст: Виктор Ковылин. По материалам: The Atlantic, The University of Utah
Научная статья: Cell (Pastuzyn et al., 2018)

Источник: batrachospermum.ru

Комментарии: