Jak działa pamięć? Im dalej zagłębiamy się w ten temat, tym więcej pojawia się pytań o to, jak powstała funkcja pamięci. Wygląda na to, że zdolność do tworzenia wspomnień pożyczyliśmy od wirusów.

Naukowcy dokonali kluczowego przełomu, kiedy w 1995 roku zidentyfikowali białko Arc, zauważając, że jego rola w zmianach plastycznych neuronów była krytyczna dla tworzenia pamięci. To białko jest już wielką sprawą, ale obraz Arc stał się o wiele bardziej interesujący.

W badaniu opublikowanym w czwartek w czasopiśmie Cell zespół naukowców z University of Utah, University of Copenhagen w Danii i MRC Molecular Biology Laboratory w Cambridge w Wielkiej Brytanii twierdzi, że Arc zajął miejsce w mózgu poprzez przypadkowe spotkanie miliony lat temu. Tak jak naukowcy uważają, że mitochondria w naszych komórkach powstały jako bakterie, które pochłonęły komórki naszych starożytnych przodków, tak wydaje się, że białko Arc powstało jako wirus.

Naukowcy wiedzieli, że coś znaleźli, kiedy zobrazowali Arc, który wygląda bardzo podobnie do wirusowego kapsydu, izoedrycznej otoczki białkowej, która otacza materiał genetyczny wirusa w celu dostarczenia go do komórek gospodarza podczas infekcji. Głównym problemem, który uniemożliwia neurobiologom zrozumienie istoty pamięci, jest to, że białka nie są długo przechowywane w mózgu, chociaż wspomnienia trwają prawie całe życie. Dlatego, aby wspomnienia zostały zachowane, muszą nastąpić zmiany plastyczne, czyli struktury neuronów muszą ulec zmianie w wyniku konsolidacji pamięci.

Tutaj do gry wkracza Arc. Poprzednie badanie na szczurach wykazało, jak Arc upośledza konsolidację pamięci, co sugeruje, że Arc odgrywa ważną rolę w plastyczności neuronów. Ale naukowcy nigdy nie sądzili, że natkną się na dowody wskazujące na wirusowe pochodzenie Arc, jak sugerują nowe odkrycia.

Zespół badawczy musiał przetestować tę teorię, więc przetestował, czy Arc rzeczywiście działa jak wirus. Okazało się, że kapsyd Arc zawiera w sobie własne RNA. Kiedy umieścili kapsydy Arc w hodowanych mysich komórkach mózgowych, kapsydy przeniosły swój RNA do mysich komórek mózgowych, tak jak robią to w przypadku infekcji wirusowej.

Badania rozpoczęto wiedząc, że Arc jest wyjątkowy pod wieloma względami, ale kiedy odkryto, że Arc był w stanie pośredniczyć w przenoszeniu RNA z komórki do komórki, naukowcy byli zszokowani. Żadne inne znane nam niewirusowe białko nie działa w podobny sposób. Naukowcy podejrzewają, że ta współpraca wirusa i ssaka miała miejsce między 350 a 400 milionami lat temu, kiedy retrotranspozon – przodek współczesnych retrowirusów – wprowadził swoje DNA do czworonożnego stworzenia.

Podejrzewają też, że zdarzyło się to więcej niż raz. Jeśli mają rację, to badanie komplikuje obraz ewolucji życia, jakie znamy. Wiele mutacji nie tylko powstało przypadkowo, aby uczynić nas tym, kim jesteśmy dzisiaj, ale w rzeczywistości zapożyczyliśmy biologię od innych komórek i organizmów, aby się tu dostać. Trochę ich historii żyje w nas dzisiaj.

Gen Arc jest niezbędny do długotrwałego przechowywania informacji w mózgu ssaków, pośredniczy w różnych formach plastyczności synaptycznej i bierze udział w zaburzeniach neurorozwojowych. Jednak niewiele wiadomo na temat molekularnej funkcji Arc i jego ewolucyjnego pochodzenia. Tutaj pokazujemy, że Arc samoorganizuje się w wirusopodobne kapsydy, które otaczają RNA.

Endogenne białko Arc jest uwalniane z neuronów do pęcherzyków pozakomórkowych, które pośredniczą w przenoszeniu mRNA Arc do nowych komórek docelowych, gdzie może ono podlegać translacji zależnej od aktywności. Oczyszczone kapsydy Arc są endocytowane i zdolne do przenoszenia mRNA Arc do cytoplazmy neuronów.

Wyniki te wskazują, że Arc ma podobne właściwości molekularne do retrowirusowych białek Gag. Analiza ewolucyjna wskazuje, że Arc wywodzi się z linii kręgowców z retrotranspozonów, które są również przodkami retrowirusów. Dane te sugerują, że retroelementy Gag zostały zmienione podczas ewolucji, aby pośredniczyć w komunikacji między komórkami w układzie nerwowym.