两篇Cell！远古病毒蛋白Arc充当细胞界的「微信」

引言

近日，两篇最新的《Cell》研究论文显示，细胞中的Arc蛋白能够利用其病毒样结构运输RNA在细胞之间传输，形成一种新的细胞通信方式。

▲领导其中一项研究的美国犹他大学神经学家Jason D. Shepherd博士（左）以及领导另一项研究的美国麻州大学医学院的Vivian Budnik博士（中）和 Travis Thomson（右）

数亿年前，植物和动物的基因组中已经充斥着病毒的残留物，这些病毒已经融入了他们的DNA。大多数这些病毒残留是无效的，但最新的研究表明，一些进化为让细胞沟通的基因。

近日，在权威期刊《Cell》上发表的两篇重要论文指出，一个这样的基因编码的蛋白质利用其病毒样结构在细胞之间运输RNA穿梭，这是一种新的细胞通讯形式。

这个蛋白就是Arc，一个结构与病毒蛋白类似的蛋白质。

著名国际期刊《Nature》也专门为这两项重磅研究发表了题目为“Cells hack virus-like protein to communicate”的新闻报道。接下来，我们来看看这两篇研究。

▶保护壳◀

▲美国犹他大学神经学家Jason D. Shepherd博士领导的研究团队发表的文章

实际上，Arc蛋白在多年前就已经被科学家发现，其主要在神经细胞中对维持长期记忆存储、各种形式的神经元突触可塑性（synaptic plasticity）具有重要作用。

然而，Arc蛋白究竟是如何发挥的重要作用的呢？科学家们一直以来并没有搞清楚。并且，这个Arc蛋白具有一个与逆转录病毒的衣壳蛋白Gag（Group-specific antigen）类似的结构，科学家们一直也没有搞明白这个结构到底有什么用。

美国犹他大学研究团队首先分析了Arc基因在各个物种的进化关系，发现其与病毒衣壳蛋白类似的Gag结构域在这些物种中都相对保守，具有同源性。

▲分子进化分析显示Arc基因与病毒衣壳蛋白Gag高度保守，具有同源性

研究者们进一步研究，将大鼠来源的Arc基因在大肠杆菌中表达，得到大量的Arc蛋白以便在体外进行研究。

结果，科学家们利用冷冻电镜（Cryo-EM）观察得到一个惊人的发现，Arc蛋白竟然能够在体外自我组装成为病毒样的衣壳（Capsid）。

▲电镜照片显示大鼠来源的Arc蛋白能够在体外自我组装成为病毒样的衣壳（Capsid）

研究者们还继续纯化了果蝇来源的dArc蛋白，结果也能够形成这种衣壳样结构。并且，研究们还发现，Arc蛋白在0.5M的磷酸盐溶液中形成的衣壳结构最稳定。

▶运输RNA◀

众所周知，逆转录病毒比如艾滋病病毒HIV就是利用衣壳蛋白来包裹自己的遗传物质RNA，避免外界损伤的。因此，既然Arc蛋白也能够在体外自我组装成为衣壳结构，那么它们是否会像病毒一样，利用衣壳蛋白来结合RNA包裹在衣壳之中呢？

研究者们继续探索，结果发现，Arc蛋白确实能够结合RNA，并且能够把RNA包裹在Arc蛋白形成的衣壳之中。

▲Arc蛋白运输核酸（下）在细胞之间的通讯与艾滋病病毒HIV的细胞周期（上）非常相似

Arc蛋白将RNA包裹进入衣壳之后，能否像HIV病毒一样运输这些遗传物质呢？研究者们深入探索之后，发现Arc能够介导细胞之间的RNA及蛋白质运输！

当然，仅仅只靠Arc蛋白是不行的，Arc蛋白与RNA结合之后，组装成衣壳，然后需要通过胞外分泌小囊泡（Extracellular Vesicles）的形式才能够介导RNA及蛋白质在细胞间的运输。

这一点与HIV病毒非常类似，HIV要具有感染能力，需要衣壳蛋白Gag、整合酶以及衣壳外的脂蛋白包膜，三者缺一不可，仅具有衣壳蛋白是没有感染能力的。因此，胞外分泌小囊泡就扮演了Arc蛋白组装的衣壳外面的脂蛋白包膜角色。而Arc蛋白则扮演了HIV病毒Gag蛋白的角色。

▶另一篇研究◀

▲美国麻州大学医学院研究组发表的研究文章

来自美国麻州大学医学院研究团队的发现，与神经学家Jason D. Shepherd博士领导的研究团队的发现类似，都表明Arc蛋白能够结合mRNA，然后能够运输到其他临近的细胞。

只不过麻州大学团队使用的是果蝇这种动物模型来研究Arc的功能。

从大鼠到果蝇，Arc蛋白都显示出类似的功能，即结合RNA，然后通过胞外分泌小囊泡来运输这些遗传物质，从而达到细胞与细胞之间通讯的目的。

并且，这两篇研究都深入探索了Arc蛋白在神经细胞之间的传递信息的重要作用，为细胞与细胞之间的通讯提供了新的思路。

参考资料：

http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)31502-7

http://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(17)31504-0.pdf

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