Как древняя вирусная ДНК формирует раннее эмбриональное развитие

Новое исследование из Лаборатории медицинских наук Совета по медицинским исследованиям (MRC LMS) в Лондоне, Великобритания, показывает, как древняя вирусная ДНК, когда-то списанная со счетов как «мусорная», играет решающую роль в самые первые моменты жизни. Исследование, опубликованное в Science Advances, начинает распутывать роль древнего вирусного элемента ДНК под названием MERVL в развитии эмбриона мыши и дает новое понимание человеческого заболевания — мышечной дистрофии.

Транспозонные элементы — это участки ДНК, способные перемещаться по геному. Многие из этих последовательностей ДНК происходят из далекого прошлого, когда вирусы встраивали свой генетический материал в геномы наших предков во время инфекции. Сегодня эти вирусные транспозонные элементы составляют около 8–10% генома млекопитающих.

Центральный переключатель в раннем развитии

Новое исследование, проведенное доктором Мишель Першард, руководителем группы «Хроматин и развитие» в LMS, и бывшим постдокторантом доктором Полом Чаммасом, сосредоточено на вирусном транспозонном элементе MERVL.

Этот элемент становится высокоактивным в короткое время, когда эмбрион мыши достигает стадии двух клеток — момента, когда оплодотворенная яйцеклетка делится на две клетки и впервые включает собственный геном. Клетки в этом состоянии считаются «тотипотентными», то есть способными генерировать все типы клеток эмбриона и внезародышевых тканей, таких как плацента.

MERVL действует как центральный переключатель для активации большой сети генов, специфичных для стадии двух клеток развития.

Распутывание сети

Чтобы выяснить роль MERVL, команда использовала метод генетической манипуляции CRISPR-активации, чтобы включить элементы MERVL в эмбриональных стволовых клетках мыши, имитируя то, что происходит в двухклеточных эмбрионах.

В клетках, где была активирована только MERVL, клетки выглядели лишь частично похожими на клетки стадии двух клеток, но у них все еще было несколько характеристик тотипотентности. Исследователи описали это промежуточное состояние как «промежуточный фенотип». Они показали, что активации одного только MERVL достаточно для создания тотипотентных черт в раннем эмбриональном развитии.

Транспозонные элементы — не плохие парни

MERVL активируется фактором транскрипции (белком, который помогает генам включаться и выключаться) под названием Dux. Хотя Dux важен для включения программы развития на стадии двух клеток, когда он активен слишком долго, он становится токсичным для клеток и вызывает гибель клеток.

Чтобы определить, играет ли MERVL роль в этих вредных эффектах, команда использовала ту же систему CRISPR для активации Dux, что, как они обнаружили, активировало MERVL, но также и множество других генов. В этих условиях они обнаружили, что Dux активирует белок, запускающий гибель клеток, под названием Noxa. Это подтвердило, что именно Dux, а не MERVL, ответственен за некоторые негативные воздействия на клетки.

«Сравнивая, что происходит в этих разных контекстах, мы видим, что транспозонные элементы в данном случае не являются плохими парнями», — говорит Пол, — «и мы успешно начали распутывать некоторые из различных ролей, которые разные части сети играют в раннем развитии».

Значение для мышечной дистрофии

Человеческая версия Dux называется DUX4. Хотя он, вероятно, имеет решающее значение для раннего развития, после этого момента он должен быть выключен навсегда. Определенные генетические мутации вызывают аномальную активацию DUX4 у взрослых, что приводит к заболеванию, называемому лице-лопаточно-плечевой мышечной дистрофией (FSHD). У этих пациентов DUX4 вызывает такие проблемы, как гибель клеток в мышцах, приводя к прогрессирующей слабости и истощению.

Когда команда изучила DUX4 в человеческих клетках, они обнаружили, что DUX4 также повышает уровень человеческого NOXA. Интересно, что при изучении образцов пациентов они увидели, что у тех, кто имел наиболее тяжелые формы заболевания, были самые высокие уровни NOXA.

Это говорит о том, что NOXA может быть потенциальной терапевтической мишенью для этого заболевания. Разработка препарата для ингибирования NOXA могла бы предотвратить гибель клеток, помогая улучшить выживаемость мышечных клеток у пациентов.

«В более широком смысле, лице-лопаточно-плечевая мышечная дистрофия — сложное заболевание: даже несмотря на то, что все клетки пациента имеют генетические изменения, которые его вызывают, только часть клеток активирует DUX4», — говорит Мишель.

«Понимание того, что запускает активацию DUX4 именно в мышечных клетках, а также того, как это сравнивается с активацией в раннем развитии, — ключевые вопросы, которые мы надеемся изучить в будущих исследованиях».