Alla dina minnen lagras av ett konstigt protein från ett gammalt virus

Hur fungerar minnet? Ju längre vi verkar dyka i, desto fler frågor snubblar vi om hur minnesfunktionen först utvecklades. Forskare gjorde ett viktigt genombrott med identifieringen av Arc-proteinet 1995 och observerade hur dess roll i plastförändringarna i neuroner var kritisk för minneskonsolidering.

Detta protein är redan en stor sak, men Arc-bilden blev bara mycket mer intressant. I en studie publicerad torsdag i tidningen Cell, ett team av forskare vid University of Utah, Köpenhamns Universitet i Danmark och MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, Storbritannien, hävdar att Arc tog sin plats i hjärnan som ett resultat av en slumpmässig chansmötelse för miljontals år sedan. På samma sätt som vetenskapsmän säger att mitokondrierna i våra celler har sitt ursprung som bakterier som våra forntida föräldrars celler absorberat, verkar Arc-proteinet ha börjat som ett virus.

Forskarna visste att de var på någonting när de fångade en bild av Arc som såg väldigt mycket ut som en viral kapsid, den isohedrala proteinhöljet som inkapslar ett viruss genetiska material för leverans till värdceller under infektion.

"Vid den tiden visste vi inte mycket om Arcs molekylära funktion eller evolutionära historia", säger studiemedarbetare Jason Shepherd, en assistent professor i neurobiologi, anatomi, biokemi och oftalmologi vid University of Utah i ett uttalande. Shepherd har studerat Arc i 15 år. "Jag hade nästan förlorat intresse för proteinet, för att vara ärlig. Efter att ha sett capsiderna visste vi att vi var på något intressant."

Huvudproblemet som utmanar neuroscientists förståelse av minnet är att proteiner inte håller länge länge i hjärnan, även om minnen nästan håller livet. Så för att minnen ska förbli, måste det finnas plastförändringar, vilket innebär att neuronstrukturer faktiskt måste förändras till följd av minneskonsolidering.

Det här är där Arc kommer in i spel. Tidigare forskning på råttor illustrerar hur Arc stör störningskonsolidering, vilket tyder på att Arc är avgörande för neuronal plasticitet.

Men forskare trodde aldrig att de skulle snubbla på bevis som pekade på ett viralt ursprung för Arc, som dessa nya resultat tyder på.

Forskargruppen behövde verifiera denna teori, så de testade om Arc verkar som ett virus. Det visar sig att Arc Capsid har inkapslat sitt eget RNA. När de sätter Arc-kapslarna i en musceller i hjärnceller, överförde kapslarna deras RNA till muscellerna i hjärnan - precis som virusinfektion gör.

"Vi gick in på denna forskningslinje med att veta att Arc var speciell på många sätt, men när vi upptäckte att Arc kunde medföra cell-till-cell-transport av RNA, var vi golvade", säger studiens ledande författare, postdoktor Elissa Pastuzyn, Ph.D., i ett uttalande. "Inget annat icke-viralt protein som vi vet om handlingar på detta sätt."

Forskarna misstänker att det här virus-däggdjursamarbetet inträffade någon gång mellan 350 och 400 miljoner år sedan, då en retrotransposon - förfader till moderna retrovirusar - fick sitt DNA i en fyrbenta varelse. De misstänker också att detta hände mer än en gång. Om de har rätt, komplicerar den här forskningen bilden av livets utveckling som vi vet. Inte bara gjorde många mutationer med slumpmässig chans att göra oss vad vi är idag, men vi lånade faktiskt biologi från andra celler och organismer för att komma hit. En liten bit av sin historia lever vidare i oss idag.

Abstrakt: Den neuronala gen Arc är väsentlig för långvarig informationslagring i däggdjurshjärnan, medierar olika former av synaptisk plasticitet och har blivit implicerade i neurodevelopmentala störningar. Lite är dock känt om Arcs molekylära funktion och evolutionära ursprung. Här visar vi att Arc självmonterar i virusliknande kapslar som inkapslar RNA. Endogent bågprotein frigörs från neuroner i extracellulära vesiklar som förmedlar överföringen av Arc mRNA till nya målceller, där den kan genomgå aktivitetsberoende översättning. Renade Arc-kapider är endocytoserade och kan överföra Arc mRNA till cytoplasma av neuroner. Dessa resultat visar att Arc uppvisar liknande molekylära egenskaper hos retrovirala Gag-proteiner. Evolutionell analys indikerar att Arc är härledd från en vertebratlinje av Ty3 / gypsy retrotransposons, vilka också är förfäder till retrovirus. Dessa fynd tyder på att Gag-retroelements har repurposed under evolution för att förmedla intercellulär kommunikation i nervsystemet.