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撰文 | Ed Yong

翻譯 | 顧金濤

審校 | 吳非

當賈森·謝潑德（Jason Shepherd）第一次在顯微鏡下看到這個結(jié)構(gòu)時，他覺得那看上去像一堆病毒。可問題是，他研究的根本不是病毒。

猶他大學的謝潑德正在研究一種叫做 Arc 的基因，這是他多年來的研究方向，這些基因在神經(jīng)元中活躍表達，在腦中發(fā)揮重要作用。缺少 Arc 的老鼠無法通過學習形成新的長期記憶，例如，它們前一天在迷宮中找到奶酪的路線，第二天就會忘得一干二凈?！八麄兯坪醪荒茼憫?、適應環(huán)境的變化，”Shepherd說，“Arc 是將體驗到的信息轉(zhuǎn)化為大腦變化的關(guān)鍵?！?/span>

盡管 Arc 基因很重要，但它確并不易于研究。通常，科學家們通過比較具有相似特點的相似基因，來理解基因的功能。但是 Arc 自成一派。其它的哺乳動物也有自己版本的 Arc，鳥類、爬行類、兩棲類動物也一樣。但是對于每一種動物，Arc 看上去都是獨一無二的，沒有和它相像的其他基因。而當謝潑德的研究小組分離出這個基因產(chǎn)生的蛋白，并用高倍顯微鏡觀察之后，他明白了原因。

他看見這些 Arc 蛋白聚合成了空心的球形殼，這與病毒謎之相像?！爱斘覀兛粗鼈儠r，我們在想，這些是什么東西？” 謝潑德說。這些球殼讓他想起了教科書上的 HIV 照片。當他向 HIV 專家展示拍到的圖片時，HIV 專家們證實了他的懷疑。老實說，這真是個巨大的驚喜?！?strong>居然有一個大腦基因制造出長得像病毒一樣的東西！” 謝潑德說。

古老基因原來是病毒的表親

這并不只是巧合。研究揭示了 Arc 源自一組古老的基因：gypsy 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（gypsy retrotransposons）。gypsy 在各種動物的基因組中存在，它們會拷貝自己的副本，然后將副本插入到基因組中的別處去。某個時刻，個別基因獲得了將自己包裹在另一層糖蛋白和脂膜里、徹底離開宿主細胞的能力。這就是反轉(zhuǎn)錄病毒的起源，HIV 也是反轉(zhuǎn)錄病毒家族的一員。

所以，Arc 基因就像是這些病毒進化生物學上的表親，這解釋了它們?yōu)楹萎a(chǎn)生類似的殼。準確地說，Arc 和反轉(zhuǎn)錄病毒用來建造蛋白外殼的病毒基因 gag 緊密相關(guān)。其他科學家也注意過這種相似性。2006年，一個研究組在人類基因中搜索類似 gag 的基因時，就把 Arc 列為了候選之一。他們沒再跟進，而“作為神經(jīng)科學家，我們從沒看過基因組學的論文，所以我們直到很久之后才發(fā)現(xiàn)了它?！?謝潑德說。

相似性還不僅于此。當基因被激活后，編碼在 DNA 中的指令首先會被轉(zhuǎn)錄到RNA 分子中。謝潑德的同事埃莉薩·帕斯圖森（Elissa Pastuzyn）發(fā)現(xiàn) Arc 外殼可以將 RNA 包裹其中，從一個神經(jīng)細胞轉(zhuǎn)移到另一個細胞。這基本上就是反轉(zhuǎn)錄病毒做的事情了——它們在細胞間穿梭時，用蛋白外殼保護和運輸自己的 RNA。

所以說，我們的神經(jīng)細胞用一種類似病毒的基因，以一種類似于病毒的方式在細胞間傳遞遺傳信息，而我們至今才知道這一點?！吧窠?jīng)元到底為什么要做這些呢？” 謝潑德說，“我們還不知道答案?！币粋€大膽的猜想是，神經(jīng)細胞用 Arc 和它運輸?shù)?RNA 彼此影響，一個細胞可以用 Arc 來運輸 RNA 使得周圍的另一個細胞改變被激活的基因。這又“和病毒做得非常相似——改變細胞的狀態(tài)來制造病毒自己的基因?！?謝潑德說。

記憶是一種病毒嗎？

“我們比一開始時有更多問題，”他說，“運輸?shù)?RNA 是什么？攜帶的是什么信息？當 Arc 被神經(jīng)元釋放后，它能走多遠？”或許更重要的是，這些如何影響大腦？如果研究組不讓神經(jīng)元釋放 Arc，將如何影響該動物學習和形成新記憶的能力？“我知道人們在想什么：記憶難道是一種病毒嗎？” 謝潑德笑著說。

更為奇特的是，其他動物似乎獨立地演化出了自己的 Arc。果蠅有 Arc 基因，謝潑德的同事塞德里克·費紹特（Cedric Feschotte）發(fā)現(xiàn)它們的 Arc 和我們的源自同一組 gypsy 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，但是果蠅和脊椎動物是分別在相隔數(shù)百萬年的兩次事件中，獨立演化出了兩個基因。然而，兩次事件產(chǎn)生的基因相似，它們干著相似的活：另一個研究組揭示了果蠅版本的 Arc 同樣在神經(jīng)元間用病毒般的殼運送 RNA?！跋氲竭@樣一個事件可以發(fā)生兩次，真是令人激動?！?阿德萊德大學的阿特馬·伊萬切維奇（Atma Ivancevic）說。

這次發(fā)現(xiàn)也有其醫(yī)學意義。許多腦疾病涉及了 Arc，例如阿爾茲海默癥（引起癡呆）、精神分裂癥（引起幻覺）、脆性X染色體綜合征（引起自閉癥）。衰老伴隨的心智能力下降或許也與其有關(guān)。謝潑德稱年輕小鼠產(chǎn)生更多 Arc 蛋白，而老年小鼠則生產(chǎn)較少。如果人為提高老年小鼠腦部視覺中心的 Arc 蛋白水平，可以使它們對新體驗的反應像年輕小鼠一樣。

“這可能只是冰山一角，” 福瑞德哈金森腫瘤研究中心的哈米特·馬利克（Harmit Malik）說。缺少 Arc 基因的動物，比如魚類，完全有可能“利用完全不同的馴化版 gag 蛋白來達到相同的目的。”的確，人類基因組里有超過100個源自 gag 的基因，它們都在做什么呢？

這還是更大趨勢的一部分：科學家們在近年來發(fā)現(xiàn)了多個動物利用病毒相關(guān)的基因來獲得演化優(yōu)勢的例子。gag 運輸遺傳信息，因此對細胞間通訊系統(tǒng)是完美的基礎(chǔ)設施。病毒還用另一個基因 env 來與宿主細胞融合并且逃脫免疫系統(tǒng)。這些性質(zhì)對胎盤也至關(guān)重要。胎盤是部分哺乳動物用來將母親和胎兒的組織結(jié)合起來的器官。相當確定的是，對胎盤不可或缺的 syncytin 基因，實際上來源于 env?？磥?，我們身體的很多地方都和病毒有著相當密切的關(guān)系。