Ons goede geheugen blijkt een opmerkelijke oorsprong te hebben. Het Arc-eiwit dat ons langetermijngeheugen mogelijk maakt, is een nakomeling van een virus dat zich in het DNA van onze verre voorouders heeft genesteld.
350 tot 400 miljoen jaar geleden heeft een voorouder van een retrovirus zoals hiv het DNA van de eerste viervoetige gewervelden geïnfecteerd. Dit zogeheten retrotransposon heeft de genen van de viervoeters zodanig aangepast dat het Arc-eiwit is ontstaan.
Dit blijkt uit onderzoek van Jason Shepherd en zijn collega’s van de University of Utah Health, die met een genetische analyse de evolutionaire afkomst van Arc achterhaalden. Ze publiceerden hun resultaten in Cell.
Kunnen fagen helpen in de strijd tegen antibioticaresistentie?
Faagtherapie kan de toegenomen antibioticaresistentie het hoofd bieden. Deze kleine virussen kunnen specifieke bacteriën doden.
Arc is onder andere belangrijk voor de communicatie tussen neuronen en het langetermijngeheugen. Muizen die het eiwit missen, kunnen zich bijvoorbeeld niet goed aan nieuwe omgevingen aanpassen en informatie niet langer dan 24 uur onthouden.
‘We wisten al langer dat Arc cruciaal is voor het geheugen, maar de moleculaire of evolutionaire functie van Arc bleef onduidelijk’, stelt Shepherd. ‘Het inzicht dat virusachtige eiwitten aan de basis liggen van een nieuwe vorm van cel-tot-celcommunicatie in de hersenen, kan ons begrip van het geheugen volledig veranderen.’
Viraal gedrag
Door scherpe beelden van het eiwit te maken, zagen de onderzoekers dat het eiwit zich als een viraal eiwit gedraagt. Een viraal eiwit wordt door de genen van een virus gecodeerd en vormt net als een virus een beschermende capsule rondom het genetisch materiaal.
Een virus verspreidt zich door deze capsule aan een gastheercel te binden, waarna hij zijn genetisch materiaal injecteert en zich binnen de cel vermenigvuldigt. De onderzoekers ontdekten dat Arc-eiwitten in een neuron zich spontaan samenvoegen tot een vergelijkbare capsule. Ook zagen ze dat bij dit proces stukken RNA uit het neuron in de capsule worden opgeslagen. Dit zijn moleculen die genetische informatie overbrengen en specifieke eiwitten aanmaken. Bij activatie van het neuron verlieten de Arc-capsules de cel en bonden ze zich net als virussen aan andere cellen om zo hun genetisch materiaal over te brengen.
‘We wisten al dat Arc een speciaal eiwit was, maar toen we erachter kwamen dat Arc in staat was om RNA van cel tot cel te transporteren, vielen onze monden open’, stelt hoofdonderzoeker Elissa Pastyzun. ‘Geen enkel ander niet-viraal eiwit dat we kennen gedraagt zich op deze manier.’
Dubbele vondst
Het onderzoek is gelijktijdig gepresenteerd met een publicatie van Vivian Budnik van de universiteit van Massachusetts, waaruit blijkt dat Arc ook voorkomt in vliegen. Bij vliegen vervoeren de Arc-capsules RNA van neuronen naar spiercellen, waarmee beweging wordt gecontroleerd. Hoewel het Arc-eiwit bij zoogdieren en vliegen uit hetzelfde type retrotransposon is geëvolueerd, vond de infectie bij vliegen ongeveer 150 miljoen jaar later plaats.
‘Voor een evolutionair bioloog is dit het spannendste aspect van de ontdekkingen’, zegt coauteur Cédric Feschotte van Cornell University. ‘Omdat deze gebeurtenis twee keer heeft plaatsgevonden, denken we dat het ook vaker kan zijn gebeurd.’
Clive Bramham van de University of Bergen, die ook de invloed van Arc op het geheugen onderzoekt, staat versteld van de resultaten. ‘Het is baanbrekend werk,’ zegt Bramham. ‘Het voegt een nieuwe dimensie toe aan hoe we denken over de werking van Arc.’
Toch roept het onderzoek ook veel vragen op. ‘Wat is de functie van het RNA wanneer het zich nestelt in het geïnfecteerde neuron? Het is vooralsnog een mysterie hoe dit langetermijngeheugen mogelijk maakt’, stelt Bramham.
Om daar meer duidelijkheid over te krijgen, gaan Shepherd en zijn collega’s nu onderzoeken hoe Arc zich onder verschillende omstandigheden gedraagt en welke informatie het vervoert.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: