זיכרון ויראלי

המוח שלנו ושל בעלי חיים אחרים הוא איבר גמיש. הקשרים בין תאי העצב המרכיבים אותו משתנים, מתחזקים או נחלשים וכך יוצרים את הזיכרונות שלנו, מגיבים לשינויים בסביבה, מאפשרים לנו ללמוד והופכים אותנו למה שאנחנו. אחד הגֵנים החיוניים לגמישות מוחית זו הוא Arc, גֵן שמקורו ב-DNA חיצוני שהשתלב בתאים של אבות אבותינו לפני מאות מיליוני שנים. כעת מתברר שהגן יוצר מבנים דמויי נגיף המשמשים אחד מערוצי התקשורת בין תאי העצב.

חשיבותו של הגן Arc ידועה כבר שנים רבות. עכברים ללא הגן לא מסוגלים ללמוד או ליצור זכרונות לטווח רחוק – הם שוכחים את כל מה שלמדו תוך 24 שעות. הוא קשור גם להידרדרות המנטלית המתרחשת לעיתים בגיל מבוגר. רמת הביטוי של הגֵן יורדת עם הגיל, אך אם מעלים אותה באופן מלאכותי אצל עכברים זקנים, גמישותם השכלית הופכת דומה לזו של עכברים צעירים. אצל בני אדם בעיות בפעילות הגן Arc קשורות לאוטיזם, לאלצהיימר, לסכיזופרניה ולהפרעות מוחיות אחרות.

למרות חשיבותו, ואף שהוא קיים אצל כל היונקים, העופות, הזוחלים והדו-חיים, עד לאחרונה לא היה ידוע הרבה על דרך הפעולה של הגֵן הזה או על עברו האבולוציוני. ג'ייסון שפרד (Shepherd) מאוניברסיטת יוטה, שחוקר את הגן כבר 15 שנים, סיפר בהודעה לעיתונות שכמעט ואיבד עניין בגן, עד שהוא ועמיתיו שמו לב למשהו מוזר. החלבון שמקוּדד בגן Arc יוצר מבנה דמוי קופסה הדומה באופן חשוד לנגיף HIV.

במחקר בראשות שפרד, שהתפרסם בכתב העת Cell, הראו הוא ועמיתיו שמקור הגן Arc הוא בקבוצה קדומה מסוימת של רצפי DNA טפיליים הקרויים רֶטְרוֹטְרַנְסְפּוֹזוֹנִים. אלה רצפי DNA זרים שחדרו בעבר הרחוק לגֵנום של יצורים שונים ומאז מתקיימים בו באופן עצמאי. הם מסוגלים ליצור עותקים של עצמם שמשתלבים בתוך הגנום וכך מתפשטים ומתרבים. רצפים כאלה מרכיבים כיום מעל 40 אחוז מהגנום האדם ויש צמחים שיותר מ-70 אחוז מהגנום שלהם הוא כלל לא "צמחי" אלא רטרוטרנספוזונים.

מאותה קבוצה של רטרוטרנספוזונים שממנה התפתח הגן Arc התפתחו גם הרטרו-וירוסים, קבוצת נגיפים שהמפורסם שבהם הוא HIV, הגורם לאיידס. זאת ועוד, אחד הגנים של רטרו-וירוסים כמו HIV הוא גן הקרוי gag. החלבון שנוצר על פי הגֵן הזה מרכיב את הקופסה שעוטפת את הנגיף ומאפשרת לו להעביר את החומר הגנטי שלו מתא לתא. הרצף של הגן Arc דומה לזה של הגן gag של הרטרו-וירוסים, דבר שמסביר את הדמיון בין הקופסה שהוא יוצר לזו שלהם.

תקשורת באמצעים הדומים לנגיפים. רשת של תאי עצב המבטאים את הגן Arc | צילום: Elissa Pastuzyn

שיטה אוניברסלית

החומר הגנטי של רטרו-וירוסים, זה שנארז בתוך הקופסה שלהם, אינו DNA, כמו ברוב עולם החי, אלא חומר דומה בשם RNA. בתאים שלנו RNA משמש מעין עותק עבודה לייצור החלבון עצמו. שפרד ועמיתיו הראו שגם בתוך קופסאות החלבון שמייצר הגן Arc נארזים עותקי RNA, של הגן Arc  עצמו ושל גנים אחרים. כמו במקרה של הרטרו-וירוסים קופסאות החלבון האלו מסוגלות "להדביק" תאים אחרים. הן חודרות מתא עצב אחד לאחר ומשחררות בתוכו את ה-RNA שהן נושאות. בצורה זו תאי עצב יכולים להעביר זה לזה מידע גנטי, שכנראה משפיע על פעילותם ועל הקשרים שהם יוצרים אלו עם אלו.

זה המקרה הידוע הראשון של גן שאינו נגיפי שמאפשר העברת חומר גנטי בצורה כזו.

מחקר נוסף שנעשה בזבובי תסיסה ופורסם במקביל באותו גיליון של Cell, חשף ממצאים דומים לשל שפרד. ויויאן בודניק (Budnik) ועמיתיה מבית הספר לרפואה של אוניברסיטת מסצ'וסטס גילו במקביל לקבוצתו של שפרד שגרסה של הגן Arc שקיימת בתאי עצב של זבובים יוצרת גם היא קופסאות חלבון הדומות לנגיפים, אורזת בתוכן RNA ומעבירה אותו לתאי שריר. הגן ארק חשוב לחיזוק הקשר בין תאי עצב לתאי השריר בזבובים – החוקרים הראו שאם מונעים את מעבר החומר הגנטי באמצעות Arc נוצר רק קשר חלש בין התאים.

הגן Arc של הזבובים התפתח גם הוא מאותה קבוצה של רֶטְרוֹטְרַנְסְפּוֹזוֹנִים שממנה התפתח ה-Arc של רוב החולייתנים, אך מדובר בגנים שונים שהתפתחו בכל קבוצה בנפרד. החוקרים סבורים שאם מאורע כזה התרחש באבולוציה פעמיים יתכן שהוא קרה עוד כמה פעמים. ייתכן למשל שלבעלי חיים עם מערכת עצבים מפותחת אך חסרי Arc, כמו דגים, יש גן דמוי-נגיף אחר בעל תפקיד דומה. כמו כן, בבני אדם אפשר למצוא יותר ממאה גנים שדומים ל-gag. אולי גם הם מאפשרים מעבר של חומר גנטי בין תאים?

הגן Arc הוא לא המקרה הראשון שבו גן דמוי-נגיף או גן שבעבר היה שייך לנגיף "גויס" במהלך האבולוציה לתפקיד אחר. אצל בני אדם וכמה יונקים אחרים הגן סינסיטין (syncytin), שמבוטא בתאי שליה וחשוב ליצירת הקשר בין השליה לרחם, מקורו בגן env שמאפשר לרטרו-וירוסים לחדור לתאי המטרה שלהם. מתברר שלא רק שאחוז נכבד מהגנום שלנו מקורו בטפילים כמו רטרוטרנספוזונים ורטרו-וירוסים, אלא שבזכות גנים שאימצנו מהטפילים האלו, אנחנו מי שאנחנו. גנים כמו סינסיטין, שבלעדיו אנחנו לא יכולים להביא צאצאים לעולם וכמו Arc, ששולט על יכולתנו לזכור וללמוד.