Al je herinneringen worden opgeslagen door een rare proteïne uit een oud virus

Hoe werkt het geheugen? Hoe verder we duiken, hoe meer vragen we ontdekken over hoe de functie van het geheugen zich voor het eerst ontwikkelde. Wetenschappers hebben in 1995 een cruciale doorbraak gemaakt met de identificatie van het Arc-eiwit, waarbij werd opgemerkt hoe de rol ervan in de plastische veranderingen in neuronen van cruciaal belang was voor geheugenconsolidering.

Dit eiwit is al een groot probleem, maar de Arc-foto is gewoon veel interessanter geworden. In een studie gepubliceerd donderdag in het tijdschrift Cel, een team van onderzoekers aan de Universiteit van Utah, de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken, en het MRC Laboratorium voor Moleculaire Biologie in Cambridge, VK, beweren dat Arc zijn plaats in de hersenen innam als resultaat van een toevallige toevallige ontmoeting miljoenen jaren geleden. Vergelijkbaar met hoe wetenschappers zeggen dat de mitochondriën in onze cellen ontstaan ​​als bacteriën die de cellen van onze oude voorouders hebben geabsorbeerd, lijkt het Arc-eiwit te zijn begonnen als een virus.

De onderzoekers wisten dat ze iets op het oog hadden toen ze een beeld van Arc opnamen dat heel veel leek op een virale capside, de isohedrale eiwitlaag die het genetisch materiaal van een virus inkapselt voor toediening aan gastheercellen tijdens infectie.

"In die tijd wisten we niet veel over de moleculaire functie of evolutionaire geschiedenis van Arc", zegt studie co-auteur Jason Shepherd, een assistent-professor in de neurobiologie, anatomie, biochemie en oftalmologie aan de Universiteit van Utah, in een verklaring. Shepherd heeft 15 jaar lang Arc gestudeerd. "Ik had bijna de interesse in het eiwit verloren, om eerlijk te zijn. Na het zien van de capsiden, wisten we dat we iets interessants te pakken hadden."

Het belangrijkste probleem dat het geheugen van neurowetenschappers uitdaagt, is dat eiwitten niet erg lang in de hersenen blijven bestaan, hoewel herinneringen bijna een leven lang meegaan. Dus om herinneringen te laten bestaan, moeten er plastische veranderingen plaatsvinden, wat betekent dat neuronstructuren feitelijk moeten veranderen als gevolg van geheugenconsolidering.

Dit is waar Arc in het spel komt. Eerder onderzoek bij ratten illustreerde hoe Arc geheugenconsolidatie verstoort, wat suggereert dat Arc van vitaal belang is in neuronale plasticiteit.

Maar wetenschappers dachten nooit dat ze zouden struikelen over bewijs dat wees op een virale oorsprong voor Arc, zoals deze nieuwe bevindingen suggereren.

Het onderzoeksteam moest deze theorie verifiëren, dus testten ze of Arc zich daadwerkelijk als een virus gedraagt. Het blijkt dat de Arc-capside zijn eigen RNA heeft ingekapseld. Toen ze de Arc-capsiden in een muishersencelcultuur brachten, brachten de capsiden hun RNA over naar de hersencellen van muizen - net zoals virale infectie dat doet.

"We gingen in deze onderzoekslijn wetende dat Arc op vele manieren speciaal was, maar toen we ontdekten dat Arc in staat was om cel-naar-cel transport van RNA te bemiddelen, werden we gevloerd," zegt hoofdauteur van de studie, postdoctorale collega Elissa Pastuzyn, Ph.D., in een verklaring. "Geen enkele andere niet-virale proteïne die we kennen, gedraagt ​​zich op deze manier."

De onderzoekers vermoeden dat deze samenwerking tussen virus en zoogdieren ergens tussen 350 en 400 miljoen jaar geleden plaatsvond, toen een retrotransposon - de voorouder van moderne retrovirussen - zijn DNA kreeg in een vierpotig wezen. Ze vermoeden ook dat dit meer dan eens is gebeurd. Als ze gelijk hebben, compliceert dit onderzoek het beeld van de evolutie van het leven zoals wij het kennen. Niet alleen gebeurden er veel mutaties door willekeurige kansen om ons te maken tot wat we nu zijn, maar we hebben zelfs de biologie van andere cellen en organismen geleend om hier te komen. Een klein deel van hun geschiedenis leeft nog steeds voort in ons vandaag.

Abstract: Het neuronale gen Arc is essentieel voor langdurige informatieopslag in zoogdierhersenen, medieert verschillende vormen van synaptische plasticiteit en is betrokken bij neurologische ontwikkelingsstoornissen. Er is echter weinig bekend over de moleculaire functie en evolutionaire oorsprong van Arc. Hier laten we zien dat Arc zich zelf assembleert tot virusachtige capsiden die RNA inkapselen. Endogeen Arc-eiwit wordt vrijgegeven van neuronen in extracellulaire vesicles die de overdracht van Arc-mRNA in nieuwe doelwitcellen mediëren, waar het activiteitafhankelijke translatie kan ondergaan. Gezuiverde Arc-capsiden zijn endocytose en kunnen Arc-mRNA overbrengen in het cytoplasma van neuronen. Deze resultaten tonen aan dat Arc vergelijkbare moleculaire eigenschappen van retrovirale Gag-eiwitten vertoont. Evolutionaire analyse geeft aan dat Arc is afgeleid van een gewerveld geslacht van Ty3 / zigeuner retrotransposons, die ook voorouders zijn van retrovirussen. Deze bevindingen suggereren dat Gag-retroelementen tijdens de evolutie opnieuw zijn gebruikt om de intercellulaire communicatie in het zenuwstelsel te bemiddelen.