Активность гена Arc в нервных клетках млекопитающих критически важна для запоминания новой информации. Нарушения экспрессии этого гена наблюдаются при ряде неврологических заболеваний, в частности, болезни Альцгеймера. Однако до сих пор о функциях продукта гена Arc, то есть белка с одноименным названием, было известно крайне мало.
Новое исследование показало, что молекулы белка Arc самопроизвольно собираются в структуры, напоминающие вирусные капсиды и содержащие мРНК гена Arc. Они заключаются в мембранные пузырьки, которые нервные клетки выделяют наружу. Эти пузырьки сливаются с другими нейронами. Там мРНК Arc высвобождается и транслируется. Такой способ обмена информацией между нервными клетками показан впервые.
В основе способности животных запоминать информацию лежит синаптическая пластичность — изменение интенсивности передачи сигналов между нервными клетками, или нейронами. Оно может быть кратковременным (несколько минут или часов) и долговременным (сутки и более). Главное отличие форм долговременной пластичности от кратковременной — синтез белков. В первом случае он происходит, а во втором, как правило, нет. Некоторые гены начинают экспрессироваться (то есть с них синтезируются копии мРНК, а они, в свою очередь, используются для построения молекул белков) практически сразу же после активации конкретного синапса — контакта между нейронами. Образовавшиеся белки изменяют строение своего синапса, делая его более или менее значимым в цепи передачи сигналов.
В число быстро активирующихся генов входит Arc. Он интересен тем, что по структуре очень напоминает гены вирусных Gag-белков (сокращение от group-specific antigen). Эти гены характерны для ретровирусов, таких как ВИЧ. По всей видимости, гены Gag-белков произошли от ретротранспозонов Ty3/gypsy. Ретротранспозоны — это участки ДНК, способные перемещаться по геному. Притом они делают это не сами, а через промежуточные молекулы. Сначала с них считывается мРНК, а затем в ходе обратной транскрипции по ее «шаблону» образуются фрагменты ДНК, идентичные изначальным ретротранспозонам. Тот же процесс происходит и при размножении ретровирусов в клетках хозяина. Получившиеся участки ДНК встраиваются в новые области генома . Интересно, что у млекопитающих до половины всей ДНК составляют именно ретротранспозоны, а у растений их доля в геноме может быть еще выше.
Любая вирусная частица содержит нуклеиновую кислоту, в противном случае она не будет функционировать даже в клетке-хозяине. Соответственно, для полного сходства с ретровирусами «капсиды» из Arc должны заключать в себя молекулы наследственности. Косвенно это подтверждалось данными спектрофотометрии очищенного Arc: согласно им, все образцы очищенного белка все равно содержали значительное количество РНК. Если это так, то РНКазы не должны разрушать мРНК в составе «капсидов» Arc. Так и получилось: среды, содержавшие только мРНК (притом любого вида), меняли свой состав под действием РНКаз, а с растворами, где содержались и Arc, и мРНК, ничего не происходило. Это потому, что последние были упакованы в «капсиды» из первых.
В отсутствие мРНК «капсиды» из молекул Arc не собирались. Это еще одно сходство данного белка с ретровирусными Gag. А эксперименты на бактериях с различными видами мРНК показали, что для образования упорядоченных структур Arc не важно, какую мРНК в себя заключать. Более того, не обязательно, чтобы это была рибонуклеиновая кислота. Обязательных условия только два: молекула нуклеиновой кислоты должна быть одноцепочечной и иметь длину по крайней мере 20 нуклеотидов. То есть Arc-«капсиды» могут нести в себе почти любую мРНК. Почему тогда в них обнаружили именно мРНК гена Arc? Видимо, дело в ее количестве. Она интенсивно накапливается в местах контактов между нейронами во время и сразу после активной передачи по ним. Можно сказать, что благодаря большому числу ее молекул вероятность попадания мРНК Arc в «капсиды» выше, чем у других нуклеиновых кислот.
Ничего из описанного выше не имело непосредственного отношения к нервной системе и не давало ответа на вопрос, выделяются ли частицы из Arc наружу клеток. Чтобы это выяснить, исследователи прибегли к экспериментам на культурах клеток. Во-первых, они использовали HEK 293, которые «заставили» экспрессировать Arc. Если эти клетки выделяли бы соответствующий белок, он бы обнаруживался вне их, в той среде, на которой они росли. Так что эту среду отфильтровали и обнаружили в ней мембранные пузырьки диаметром около ста нанометров, а в них — уже знакомые нам «капсиды» из Arc.
Так, в 2005 году коллектив польских и американских биологов продемонстрировал, что в мембранных пузырьках, которые клетки злокачественных опухолей транспортируют к моноцитам содержатся не только белки (это было установлено раньше), но и мРНК . По результатам того исследования невозможно было сказать, осуществляют ли эти мРНК какие-либо функции в клетке, в которую попадают. На этот вопрос та же группа ученых ответила в своей следующей работе, опубликованной годом позже . Эмбриональные стволовые клетки, использованные в этом исследовании, выделяли мембранные пузырьки с мРНК и белками внутри. Сливаясь с гемопоэтическими клетками-предшественниками (ГП), такие пузырьки повышали выживаемость этих клеток и ускоряли их пролиферацию. Эксперименты проводили in vitro в системе, содержащей только мембранные пузырьки и гемопоэтические клетки-предшественники. Когда эти пузырьки обрабатывали РНКазами или некоторое время держали при высокой температуре, ГП выживали и делились ничуть не лучше, чем в контроле, то есть без добавления мембранных пузырьков. РНКазы расщепляли мРНК, а нагревание приводило к выходу из строя белков. Так было установлено, что за положительное действие мембранных пузырьков от эмбриональных стволовых клеток на ГП отвечают именно содержащиеся в них мРНК и белки.
На многие вопросы о мембранных пузырьках, содержащих «капсиды» из Arc, еще только предстоит ответить. В частности, непонятно, как они стыкуются с мембранами клеток-«реципиентов» и содержат ли они еще что-либо помимо молекул белка Arc и мРНК. Также пока неизвестны закономерности выделения таких пузырьков — какие конкретно события его запускают и в каких участках мозга оно чаще всего происходит. Все это — предмет будущих исследований.
Источник: Elissa D. Pastuzyn, Cameron E. Day, Rachel B. Kearns, Madeleine Kyrke-Smith, Andrew V. Taibi, John McCormick, Nathan Yoder, David M. Belnap, Simon Erlendsson, Dustin R. Morado, John A. G. Briggs, Cédric Feschotte, and Jason D. Shepherd. The Neuronal Gene Arc Encodes a Repurposed Retrotransposon Gag Protein that Mediates Intercellular RNA Transfer // Cell. 2018. DOI: 10.1016/j.cell.2017.12.024.