動植物的基因組中遍佈著數億年前整合到其DNA中的病毒殘骸。這些病毒殘骸大多處於非活動狀態，但最新的研究表明，其中一些已進化成讓細胞進行通訊的基因。
1月11日發表在《細胞》（Cell）雜誌上的兩篇論文表明，其中一個基因編碼的蛋白質利用其類似病毒的結構在細胞之間傳遞資訊：這是一種新的細胞通訊形式，可能對長期記憶的形成和其他神經功能至關重要。
兩個研究小組在獨立研究細胞外囊泡時發現了這種現象——細胞膜碎片會分裂成氣泡並從細胞中漂浮出來。這些囊泡在全身迴圈，但對其功能知之甚少。由猶他大學鹽湖城神經科學家傑森·謝潑德（Jason Shepherd）和馬薩諸塞大學醫學院伍斯特分校的細胞生物學家維維安·佈德尼克（Vivian Budnik）領導的團隊分別研究了小鼠和果蠅（黑腹果蠅）。
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保護性外殼
研究人員發現，神經元釋放的許多細胞外囊泡都包含一個名為Arc的基因，該基因有助於神經元相互建立連線。基因工程改造缺乏Arc的小鼠在形成長期記憶方面存在問題，而且一些人類神經系統疾病也與該基因有關。
當謝潑德和佈德尼克分析小鼠和果蠅Arc基因的遺傳序列時，他們發現它們與一種名為gag的病毒基因相似。像HIV這樣的逆轉錄病毒使用Gag蛋白組裝稱為衣殼的保護性外殼，在感染期間在細胞之間傳輸病毒的遺傳物質。
當研究人員在高解析度顯微鏡下觀察Arc蛋白時，他們發現它形成了一個類似的衣殼，並攜帶編碼Arc的遺傳指令或信使RNA（mRNA）。然後，衣殼被包裹在細胞膜碎片中，並作為細胞外囊泡釋放。
目前還沒有其他非病毒蛋白被證實可以形成衣殼並在細胞之間穿梭mRNA。“這是開創性的，”挪威卑爾根大學的神經科學家克萊夫·布拉姆漢姆（Clive Bramham）說。
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在果蠅中，佈德尼克的研究小組發現，運動神經元——與肌肉細胞相連並告知它們何時收縮的神經元——會產生含有Arc的囊泡。一旦囊泡到達肌肉細胞，它們就會與這些細胞的膜融合，釋放Arc蛋白和mRNA。目前尚不清楚肌肉細胞如何處理蛋白質和mRNA，但佈德尼克發現，缺乏該基因的果蠅在神經元和肌肉之間形成的連線較少。
謝潑德的研究小組在從老鼠大腦中提取的神經元中發現了類似的現象。吸收了來自其他神經元的細胞外囊泡的神經元，會在受到刺激而興奮時開始使用Arc mRNA來產生蛋白質。
謝潑德和佈德尼克認為，含有Arc的囊泡在幫助神經元隨著動物的神經系統發育或適應新環境或記憶而形成和斷開連線方面發揮作用。儘管果蠅和小鼠的Arc版本相似，但它們似乎是從兩個不同的逆轉錄病毒進化而來，這些逆轉錄病毒在不同的時間進入了物種的基因組。“這一定有什麼非常根本的東西，”佈德尼克說，它才會同時出現在小鼠和果蠅中。
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研究細胞外囊泡的研究人員對這些結果感到興奮，因為他們對囊泡在體內的功能知之甚少。“這似乎是新事物，”馬里蘭州巴爾的摩約翰霍普金斯大學的分子生物學家肯尼思·維特維爾（Kenneth Witwer）說，他研究HIV如何與細胞外囊泡相互作用。
“這幾乎提出了比它回答的更多的問題，”英國牛津大學研究細胞外囊泡的生物學家伊馮·考奇（Yvonne Couch）說。她想知道是什麼刺激神經元產生細胞外囊泡，以及可能在鄰近細胞之間攜帶的其他物質是什麼。
謝潑德和佈德尼克計劃繼續研究Arc，但他們也對其他蛋白質是否以相同的方式起作用感興趣。人類基因組包含大約100個gag樣基因，可以編碼形成衣殼的蛋白質。謝潑德說，細胞之間的新型通訊形式可能比我們想象的更為常見。“我們認為這僅僅是個開始。”
本文經許可轉載，並於2017年1月11日首次發表。