Древние ретровирусы сыграли ключевую роль в эволюции мозга позвоночных

Исследователи сообщают в журнале Cell, что древние вирусы могут быть ответственны за миелин — и, как следствие, за наши большие и сложные мозги.

Команда обнаружила, что генетический элемент, полученный от ретровируса, или «ретротранспозон», необходим для производства миелина у млекопитающих, земноводных и рыб. Эту генную последовательность, названную «RetroMyelin», вероятно, внедрила древняя вирусная инфекция. Сравнение RetroMyelin у млекопитающих, земноводных и рыб указывает на то, что ретровирусная инфекция и вторжение в геном происходили независимо в каждой из этих групп.

«Ретровирусы были необходимы для того, чтобы эволюция позвоночных взлетела, — говорит старший автор, нейробиолог Робин Франклин из Altos Labs-Cambridge Institute of Science. — Если бы ретровирусы не внедрили свои последовательности в геном позвоночных, миелинизация не произошла бы, а без миелинизации всего разнообразия позвоночных, каким мы его знаем, никогда бы не было».

Миелин — это сложная жировая ткань, которая окружает аксоны нервов позвоночных. Он обеспечивает быстрое проведение импульсов без увеличения диаметра аксона, что позволяет нервам располагаться плотнее. Он также обеспечивает метаболическую поддержку нервам, позволяя им быть длиннее.

Миелин впервые появился на древе жизни примерно в то же время, что и челюсти, и его важность для эволюции позвоночных давно признана. Однако до сих пор было неясно, какие молекулярные механизмы запустили его появление.

Роль RetroMyelin в производстве миелина исследователи заметили, изучая генные сети, используемые олигодендроцитами — клетками, производящими миелин в центральной нервной системе. Команда исследовала роль некодирующих областей, включая ретротранспозоны, в этих генных сетях — что ранее не изучалось в контексте биологии миелина.

«Ретротранспозоны составляют около 40% нашего генома, но ничего не известно о том, как они могли помочь животным приобрести определенные характеристики в ходе эволюции, — говорит первый автор Танай Гхош, вычислительный биолог из Altos Labs-Cambridge Institute of Science. — Нашей мотивацией было понять, как эти молекулы помогают эволюционным процессам, в частности, в контексте миелинизации».

У грызунов исследователи обнаружили, что РНК-транскрипт RetroMyelin регулирует экспрессию основного белка миелина — одного из ключевых компонентов миелина. Когда они экспериментально подавили RetroMyelin в олигодендроцитах и клетках-предшественниках олигодендроцитов, клетки перестали производить основной белок миелина.

Чтобы выяснить, присутствует ли RetroMyelin у других видов позвоночных, команда искала похожие последовательности в геномах челюстных и бесчелюстных позвоночных, а также нескольких видов беспозвоночных. Они обнаружили аналогичные последовательности у всех других классов челюстных позвоночных (птиц, рыб, рептилий и земноводных), но не нашли похожей последовательности у бесчелюстных позвоночных или беспозвоночных.

«Существовала эволюционная потребность сделать проведение импульсов по нашим аксонам быстрее, потому что более быстрое проведение импульсов означает, что вы можете быстрее ловить добычу или убегать от опасности», — говорит Франклин.

Далее исследователи хотели выяснить, был ли RetroMyelin внедрен один раз в общего предка всех челюстных позвоночных или же были отдельные ретровирусные вторжения в разные ветви.

Чтобы ответить на эти вопросы, они построили филогенетическое дерево на основе 22 видов челюстных позвоночных и сравнили их последовательности RetroMyelin. Анализ показал, что последовательности RetroMyelin были более схожи внутри видов, чем между ними. Это говорит о том, что RetroMyelin был приобретен многократно в процессе конвергентной эволюции.

Команда также показала, что RetroMyelin играет функциональную роль в миелинизации у рыб и земноводных. Когда они экспериментально нарушили последовательность гена RetroMyelin в оплодотворенных яйцеклетках рыб данио-рерио и лягушек, развивающиеся мальки и головастики производили значительно меньше миелина, чем обычно.

Исследование подчеркивает важность некодирующих областей генома для физиологии и эволюции. «Наши открытия открывают новое направление исследований, чтобы изучить, как ретровирусы в более общем смысле участвуют в направлении эволюции», — говорит Гхош.