Что общего между нейронами и вирусами?
Группа исследователей из университета штата Юта (Солт-Лейк-Сити, США) совместно с учеными из Копенгагенского университета выявили новый способ обмена информацией между нервными клетками. Оказывается, нейроны, подобно вирусам, могут передавать друг другу матричную РНК, запакованную в мембранные пузырьки, которая транслируется в нейроне-«реципиенте», тем самым регулируя интенсивность передачи сигнала клеткой.
В основе механизма формирования долгосрочной памяти лежит способность нейронов к синаптической пластичности, то есть к изменению интенсивности передачи сигналов. В ответ на усиление сигнала в синаптическом контакте нервная клетка начинает более интенсивно экспрессировать гены, продукты которых изменяют строение синапса, делая его более или менее значимым в цепи передачи сигналов. В число таких быстро активирующихся генов входит ген Arc. Белок Arc регулирует число рецепторов к нейромедиатору глутамату в мембранах нервных клеток и участвует в регуляции синтеза белка в синаптических контактах. Известно, что недостаток Arc сопутствует болезни Альцгеймера, шизофрении, а также наследственному синдрому ломкой Х-хромосомы.
Необходимость в более пристальном изучении функций Arc появилась после небольшого исследования, проведенного авторами обсуждаемой работы. В ходе сравнения последовательностей ДНК гена Arc у разных организмов ученые выявили эволюционные корни этого гена. Выяснилось, что по строению ближе всего к Arc оказались ретротранспозоны Ty3/gypsy, присутствующие «вместо» гена Arc у костистых рыб. Любопытно, что Ty3/gypsy считаются также предшественниками вирусных генов Gag-белков, отвечающих за упаковку нуклеиновой кислоты вируса в капсидную оболочку. Решив разобраться, обладает ли крысиный (близкий по строению к человеческому) белок Arc способностью самопроизвольно собираться в капсидоподобные структуры и передаваться от клетки к клетке, исследователи провели ряд экспериментов.
На первом этапе авторы получили генно-модифицированные бактерии, экспрессирующие крысиный Arc. После выделения и очистки полученного белка ученые изучали его структуру с помощью криоэлектронной микроскопии. Выяснилось, что молекулы Arc способны образовывать олигомерные структуры, очень похожие на вирусные капсиды. Средний диаметр таких «капсидов» составил 32 нанометра.
Второй этап эксперимента состоял в выяснении, будет ли белок Arc формировать подобные «капсиды» в человеческих клетках. Для этого клетки HEK 293 разделили на две группы: первую трансфицировали геном Arc, а во вторую ввели ген зеленого флуоресцентного белка (GFP), после чего обе группы клеток обработали формальдегидом, выполняющим функцию агента для кросс-линкинга (в ходе кросс-линкинга происходит формирование ковалентных связей между длинными молекулами полимера). В результате элетрофореза выделенных из клеток белковых продуктов было показано, что под воздействием формальдегида молекулы Arc, выделенные из первой группы клеток, образовывали достаточно прочные скопления из нескольких «капсидов». Из второй группы клеток были выделены лишь одиночные молекулы GFP. Таким образом было доказано, что Arc собирается в «капсиды» не только in vitro, но и в живых клетках млекопитающих.
Кроме того, в ходе исследования было сделано важное наблюдение – в культуральной среде, на которой выращивались клетки, экспрессирующие Arc, были обнаружены мембранные пузырьки диаметром около 100 нанометров, содержащие «капсиды» из Arc. Это наблюдение говорит о том, что клетки способны не только синтезировать Arc-«капсиды», но и выделять их во внеклеточную среду. Спектрофотометрический анализ очищенного Arc показал значительное количество РНК в пробах, что натолкнуло исследователей на мысль, что Arc-«капсиды», по аналогии с вирусными, содержат эту РНК внутри. Это предположение подтвердилось после обработки культуральной среды смесью РНКаз, разрушивших всю свободную, «примесную» РНК, но никак не повлияв на содержание РНК, упакованной внутри Arc-«капсида».
Далее авторы провели серию экспериментов на клетках коры головного мозга мышей. Было показано, что при обработке культуральной среды, содержащей вышеупомянутые мембранные пузырьки, трипсином (ферментом, разрушающим белки), ни мРНК, ни белок Arc не пострадали. Так было показано, что нейроны образуют «капсиды» из Arc с мРНК внутри и выделяют их наружу покрытыми липидной мембраной.
Для изучения способности описанных пузырьков сливаться с мембранами других клеток и выделять содержащуюся в них мРНК исследователи добавляли среду, полученную при инкубации клеток HEK 293, экспрессирующих гены Arc и mGFP (ген, кодирующий мембранную форму белка GFP) к донорной культуре клеток HEK 293 дикого типа. В параллельном эксперименте к последним добавляли среду от HEK 293-клеток, экспрессирующих только mGFP, в отсутствии Arc. В результате свечение mGFP детектировалось только в тех наивных HEK 293-клетках, которые инкубировались в среде, полученной от клеток, содержащих оба гена: Arc и mGFP. Более того, кроме белка mGFP, в донорных клетках была также обнаружена его мРНК. Такие же результаты были получены и на культуре нейронов.
Поскольку было известно, что Arc играет определенную роль в синаптической пластичности, авторы исследования решили проверить, регулируется ли количество «донорной» мРНК активностью принявшей ее клетки-«реципиента». Для этого к культуре нейрональных клеток, нокаутных по гену Arc, добавляли мембранные пузырьки, содержащие, как уже было показано, Arc-«капсиды» с мРНК одноименного гена. Через некоторое время нокаутные нейроны начинали синтезировать белок Arc, количество которого замеряли. Далее часть нейронов активировали, воздействуя на одну из групп их мембранных рецепторов к глутамату. Было показано, что уровень содержания белка Arc через четыре часа после воздействия значительно повышался в активированных нейронах, тогда как в остальных культурах количество Arc оставалось прежним. Описанные результаты позволили ученым сделать вывод, что интенсивность трансляции мРНК в нейроне зависит от того, насколько активно он обменивается сигналами с другими нейронами.
По словам авторов, несмотря на то, что в ходе работы был выявлен ряд новых закономерностей, на многие вопросы относительно функций мембранных пузырьков еще предстоит ответить. В частности, непонятно, содержат ли они еще что-либо помимо молекул белка Arc и мРНК. Также предстоит разобраться, какие конкретно события запускают выделение мембранных пузырьков и в каких участках мозга оно чаще всего происходит.
Записать на генетическую Школу