Одна из областей моих научных интересов — горизонтальный перенос генов. Это процесс, при котором один организм передаёт генетический материал другому, не являющемуся его потомком. Например, агробактерии умеют «генномодифицировать» некоторые растения, превращая их в фабрики по производству удобных для усвоения питательных веществ. Эту способность взяли на вооружение учёные — генные инженеры, научившие агробактерий доставлять в растения гены, нужные нам, а не им. Метод так и назвали — агробактериальная трансформация.
Но и далёкие предки самих людей перенимали гены в результате горизонтального переноса. Один из самых известных примеров — синцитин [1]. Древние вирусы использовали этот белок оболочки для того, чтобы сливаться с клетками животных и проникать в них. Задача вируса — заставить клетки копировать себя. Поэтому ген, содержащий инструкции для производства синцитина, путешествовал от клетки к клетке животного.
По-видимому, какая-то из версий древнего синцитина оказалась полезна не только для вирусов. Используя этот белок, клетки животных могли сливаться друг с другом, образуя гигантские многоядерные «суперклетки» — синцитии. Именно такие структуры играют важную роль в формировании плаценты у млекопитающих — в том числе у современных людей. Без горизонтального переноса генов плацентарных млекопитающих, таких, какими мы их знаем, не было бы.
В нашем геноме присутствуют и другие участки ДНК — потомки вирусов. Многие из них давно утратили активность и представляют собой не более чем древние заброшенные руины, обветренные случайными мутациями, позабытые естественным отбором. Но есть и те, что подают признаки жизни.
К последним относится ген Arc, о котором в 2018 году вышло две статьи в научном журнале Cell [2, 3].
Ранее было известно, что этот ген очень важен для работы мозга, в частности для поддержания синаптической пластичности — способности нервных клеток образовывать и закреплять новые нервные связи. Мыши, полностью лишённые этого гена, сохраняют краткосрочную память, но испытывают затруднения с её переводом в долгосрочную [4]. Некоторые вещества, вызывающие амнезию у животных, приводили к падению уровня белка Arc в разных отделах мозга, включая гиппокамп, роль которого в формировании долгосрочной памяти хорошо изучена [5]. В отдельных работах было показано, что Arc — участник многих процессов, нарушения которых ведут к развитию заболеваний нервной системы — от болезни Альцгеймера до синдрома Ангельмана (наследственного заболевания, при котором типичны задержки психического развития) и шизофрении.
Оказалось, что белок Arc родственен структурным белкам ретровирусов. Ретровирусы — это не вирусы 60-х, но вирусы, чей наследственный материал хранится в виде молекул РНК. Попав в клетку, ретровирус превращает РНК в ДНК, встраивает её в геном клетки и заставляет последнюю копировать себя. Самый известный ретровирус — ВИЧ, поражающий клетки иммунной системы.
Подобно тому, как структурные белки ретровирусов несут их информационные молекулы РНК, белок Arc упаковывает собственную РНК.
Нервные клетки взаимодействуют друг с другом посредством особых близких контактов — синапсов. Одна нервная клетка выбрасывает в синапсе нейромедиаторы — молекулы-посредники, которые активируют или тормозят другую нервную клетку. Это важнейший механизм передачи сигналов в нервной системе. Но, по-видимому, нервные клетки могут выбрасывать не только нейромедиаторы, но и специальные мембранные пузырьки, несущие белки Arc с упакованными в них РНК. Попав в другую клетку, РНК Arc служат матрицей для синтеза белков Arc, хотя, возможно, так переносятся и другие молекулы РНК. Сходство этого процесса с передачей наследственного материала вирусов показано на прикреплённом рисунке (взятом из [6]).
Таким образом, был открыт новый способ передачи информации между нервными клетками. И его существованию мы обязаны вирусам — опасным, но важным двигателям эволюции.
Литература
1. Dupressoir A, Lavialle C, Heidmann T: From ancestral infectious retroviruses to bona fide cellular genes: role of the captured syncytins in placentation. Placenta 2012, 33(9):663-671.
2. Ashley J, Cordy B, Lucia D, Fradkin LG, Budnik V, Thomson T: Retrovirus-like Gag Protein Arc1 Binds RNA and Traffics across Synaptic Boutons. Cell 2018, 172(1-2):262-274 e211.
3. Pastuzyn ED, Day CE, Kearns RB, Kyrke-Smith M, Taibi AV, McCormick J, Yoder N, Belnap DM, Erlendsson S, Morado DR et al: The Neuronal Gene Arc Encodes a Repurposed Retrotransposon Gag Protein that Mediates Intercellular RNA Transfer. Cell 2018, 172(1-2):275-288 e218.
4. Plath N, Ohana O, Dammermann B, Errington ML, Schmitz D, Gross C, Mao X, Engelsberg A, Mahlke C, Welzl H et al: Arc/Arg3.1 is essential for the consolidation of synaptic plasticity and memories. Neuron 2006, 52(3):437-444.
5. Gautam A, Wadhwa R, Thakur MK: Involvement of hippocampal Arc in amnesia and its recovery by alcoholic extract of Ashwagandha leaves. Neurobiol Learn Mem 2013, 106:177-184.
6. Parrish NF, Tomonaga K: A Viral (Arc)hive for Metazoan Memory. Cell 2018, 172(1-2):8-10.