动植物的基因组中遍布着数亿年前整合到其DNA中的病毒残骸。这些病毒残骸大多处于非活动状态，但最新的研究表明，其中一些已进化成让细胞进行通信的基因。
1月11日发表在《细胞》（Cell）杂志上的两篇论文表明，其中一个基因编码的蛋白质利用其类似病毒的结构在细胞之间传递信息：这是一种新的细胞通信形式，可能对长期记忆的形成和其他神经功能至关重要。
两个研究小组在独立研究细胞外囊泡时发现了这种现象——细胞膜碎片会分裂成气泡并从细胞中漂浮出来。这些囊泡在全身循环，但对其功能知之甚少。由犹他大学盐湖城神经科学家杰森·谢泼德（Jason Shepherd）和马萨诸塞大学医学院伍斯特分校的细胞生物学家维维安·布德尼克（Vivian Budnik）领导的团队分别研究了小鼠和果蝇（黑腹果蝇）。
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保护性外壳
研究人员发现，神经元释放的许多细胞外囊泡都包含一个名为Arc的基因，该基因有助于神经元相互建立连接。基因工程改造缺乏Arc的小鼠在形成长期记忆方面存在问题，而且一些人类神经系统疾病也与该基因有关。
当谢泼德和布德尼克分析小鼠和果蝇Arc基因的遗传序列时，他们发现它们与一种名为gag的病毒基因相似。像HIV这样的逆转录病毒使用Gag蛋白组装称为衣壳的保护性外壳，在感染期间在细胞之间传输病毒的遗传物质。
当研究人员在高分辨率显微镜下观察Arc蛋白时，他们发现它形成了一个类似的衣壳，并携带编码Arc的遗传指令或信使RNA（mRNA）。然后，衣壳被包裹在细胞膜碎片中，并作为细胞外囊泡释放。
目前还没有其他非病毒蛋白被证实可以形成衣壳并在细胞之间穿梭mRNA。“这是开创性的，”挪威卑尔根大学的神经科学家克莱夫·布拉姆汉姆（Clive Bramham）说。
建立联系
在果蝇中，布德尼克的研究小组发现，运动神经元——与肌肉细胞相连并告知它们何时收缩的神经元——会产生含有Arc的囊泡。一旦囊泡到达肌肉细胞，它们就会与这些细胞的膜融合，释放Arc蛋白和mRNA。目前尚不清楚肌肉细胞如何处理蛋白质和mRNA，但布德尼克发现，缺乏该基因的果蝇在神经元和肌肉之间形成的连接较少。
谢泼德的研究小组在从老鼠大脑中提取的神经元中发现了类似的现象。吸收了来自其他神经元的细胞外囊泡的神经元，会在受到刺激而兴奋时开始使用Arc mRNA来产生蛋白质。
谢泼德和布德尼克认为，含有Arc的囊泡在帮助神经元随着动物的神经系统发育或适应新环境或记忆而形成和断开连接方面发挥作用。尽管果蝇和小鼠的Arc版本相似，但它们似乎是从两个不同的逆转录病毒进化而来，这些逆转录病毒在不同的时间进入了物种的基因组。“这一定有什么非常根本的东西，”布德尼克说，它才会同时出现在小鼠和果蝇中。
寻找更多
研究细胞外囊泡的研究人员对这些结果感到兴奋，因为他们对囊泡在体内的功能知之甚少。“这似乎是新事物，”马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学的分子生物学家肯尼思·维特维尔（Kenneth Witwer）说，他研究HIV如何与细胞外囊泡相互作用。
“这几乎提出了比它回答的更多的问题，”英国牛津大学研究细胞外囊泡的生物学家伊冯·考奇（Yvonne Couch）说。她想知道是什么刺激神经元产生细胞外囊泡，以及可能在邻近细胞之间携带的其他物质是什么。
谢泼德和布德尼克计划继续研究Arc，但他们也对其他蛋白质是否以相同的方式起作用感兴趣。人类基因组包含大约100个gag样基因，可以编码形成衣壳的蛋白质。谢泼德说，细胞之间的新型通信形式可能比我们想象的更为常见。“我们认为这仅仅是个开始。”
本文经许可转载，并于2017年1月11日首次发表。