Ricerche
Il gene della memoria diventa virale
Due team indipendenti di ricercatori hanno scoperto che il gene Arc può impacchettare il suo materiale genetico in un guscio simile a un virus, per recapitarlo alle cellule vicine (Immagine: NIH).
Due team indipendenti di scienziati dell'Università dello Utah e della University of Massachusetts hanno scoperto che un gene cruciale per l'apprendimento, chiamato Arc, può inviare il suo materiale genetico da un neurone all'altro usando la stessa strategia dei virus.
Gli studi, entrambi pubblicati sulla rivista Cell, rivelano un nuovo modo in cui interagiscono le cellule del sistema nervoso.
"Questo lavoro è un grande esempio dell'importanza della ricerca di base nelle neuroscienze", ha detto Edmund Talley PhD, direttore del programma dell'Istituto Nazionale Disturbi Neurologici e Ictus (NINDS), uno dei National Institutes of Health. "Quello che era iniziato come tentativo di esaminare il comportamento di un gene coinvolto nella memoria e implicato nei disturbi neurologici come l'Alzheimer, ha portato inaspettatamente alla scoperta di un meccanismo completamente nuovo che i neuroni potrebbero usare per inviarsi informazioni genetiche dall'uno all'altro".
Anche se è noto che l'Arc ha un ruolo vitale nella capacità del cervello di memorizzare nuove informazioni, non sappiamo come funziona esattamente. Inoltre, studi precedenti avevano dettagliato le somiglianze tra la proteina Arc e le proteine presenti in alcuni virus come l'HIV, ma non era chiaro in che modo tali elementi comuni influenzassero il comportamento della proteina Arc.
I ricercatori dell'Università dello Utah hanno iniziato l'esame del gene Arc introducendolo in cellule batteriche. Con loro sorpresa, quando le cellule formavano la proteina Arc, si raggruppavano in una forma simile a un capside virale, il guscio contenente l'informazione genetica di un virus. I 'capsidi' dell'Arc sembravano rispecchiare i capsidi virali nella loro struttura fisica, come pure il loro comportamento e altre proprietà.
"In precedenza, se avessi detto a un neuroscienziato che questo genere di geni si comporta come un virus, avrebbero riso di me", ha detto Jason Shepherd PhD, professore associato dell'Università dello Utah di Salt Lake City. "Abbiamo capito che questo ci avrebbe portato in una direzione completamente nuova".
Gli scienziati dell'università del Massachusetts, guidati da Vivian Budnik PhD, professore della Facoltà di Medicina, e Travis Thomson PhD, assistente professore nella stessa università, hanno iniziato a esaminare il contenuto dei piccoli sacchi rilasciati dalle cellule, chiamati 'vescicole extracellulari'.
I loro esperimenti sui moscerini della frutta hanno rivelato che i motoneuroni che controllano i muscoli degli animali rilasciano vescicole contenenti un'alta concentrazione dell'RNA messaggero (mRNA) del gene Arc. Il microRNA è formato dalle molecole intermediarie di tipo DNA che le cellule usano per creare la proteina codificata da una sequenza di DNA.
Entrambi i gruppi hanno anche scoperto che i capsidi Arc contengono mRNA Arc e che i capsidi sono rilasciati dai neuroni all'interno di quelle vescicole. Inoltre, la squadra del dott. Shepherd ha dimostrato che più sono attivi i neuroni, più vescicole rilasciano.
Ulteriori esperimenti condotti da entrambi i team di ricercatori hanno suggerito che i capsidi dell'Arc agiscono come virus, portando l'mRNA alle cellule vicine. Il Dr. Shepherd e i suoi colleghi hanno sviluppato neuroni di topo privi del gene Arc in piastre di Petri piene di vescicole contenenti Arc o capsuli Arc da soli.
Hanno scoperto che i neuroni che erano senza Arc, assorbivano le vescicole e i capsidi e usavano l'mRNA dell'Arc contenuto all'interno per produrre la proteina Arc stessa. Infine, proprio come i neuroni che producono naturalmente la proteina Arc, quelle cellule ne producevano di più quando aumentava la loro attività elettrica.
I ricercatori della UMass, nel frattempo, hanno dimostrato che l'mRNA e i capsidi Arc viaggiano solo in un'unica direzione (dai motoneuroni ai muscoli) nelle cellule dei moscerini, e che la proteina Arc si lega a una parte specifica della molecola dell'RNA dell'Arc chiamata 'regione non tradotta' che non è usata per produrre la proteina Arc.
Hanno anche scoperto che i moscerini privi del gene Arc formano meno connessioni tra i loro motoneuroni. Inoltre, mentre i moscerini normali creano più di queste connessioni quando i loro motoneuroni sono più attivi, quelli senza il gene Arc non riescono a farlo.
Entrambi i gruppi di scienziati hanno ora pianificato di indagare perché le cellule usano questa strategia simile ai virus per trasportare l'mRNA dell'Arc tra le cellule, e se questo sistema potrebbe consentire alle proteine tossiche responsabili dell'Alzheimer di diffondersi nel cervello. Il dott. Budnik spera che tali ricerche possano far luce sullo sviluppo di malattie neurologiche e potenzialmente portare a nuove terapie.
Inoltre, il dott. Shepherd ritiene che sia possibile usare i capsidi Arc per l'ingegneria genetica e la terapia genica, che attualmente usano virus per introdurre nuove istruzioni genetiche nelle cellule. Il sistema immunitario umano a volte attacca questi virus, causando pericolosi effetti collaterali. Poiché la proteina Arc è originaria del corpo umano, i medici possono usare i capsidi Arc per fornire geni per la terapia genica senza innescare una risposta immunitaria.
"Questa ricerca sottolinea il fatto che spesso non sappiamo da dove verranno le scoperte interessanti", ha detto il dott. Shepherd. "Abbiamo bisogno di seguire dove la scienza ci porta".
Fonte: NIH/National Institute of Neurological Disorders and Stroke (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.
Riferimenti:
- Elissa D. Pastuzyn, Cameron E. Day, Rachel B. Kearns, Madeleine Kyrke-Smith, Andrew V. Taibi, John McCormick, Nathan Yoder, David M. Belnap, Simon Erlendsson, Dustin R. Morado, John A.G. Briggs, Cédric Feschotte, Jason D. Shepherd. The neuronal gene Arc encodes a repurposed retrotransposon Gag protein that mediates intercellular RNA transfer. Cell. January 11, 2018. doi: 10.1016/j.cell.2017.12.024.
- James Ashley, Benjamin Cordy, Diandra Lucia, Lee G. Fradkin, Vivian Budnik, Travis Thomson. Retrovirus-like Gag protein Arc1 binds RNA and traffics across synaptic boutons. Cell. January 11, 2018. doi: 10.1016/j.cell.2017.12.022.
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