Вирус, заразивший животных сотни миллионов лет назад, стал необходим для развития эмбриона
Все животные эволюционировали благодаря тому, что определенные вирусы заражали примитивные организмы сотни миллионов лет назад. Вирусный генетический материал был встроен в геном первых многоклеточных существ и до сих пор присутствует в нашей ДНК.
Впервые исследователи из CNIO (Испанский национальный онкологический исследовательский центр) описывают в журнале Science Advances роль этих вирусов в абсолютно жизненно важном для нашего развития процессе, который происходит через несколько часов после оплодотворения: переходе к плюрипотентности, когда ооцит переходит от двух к четырем клеткам.
До этого шага каждая из двух клеток эмбриона является тотипотентной, то есть может развиться в самостоятельный организм; четыре клетки следующей стадии уже не тотипотентны, а плюрипотентны, так как могут дифференцироваться в клетки любой специализированной ткани тела.
По словам Серхио де ла Росы и Набиля Джоудера (первого и старшего авторов соответственно), это открытие важно для регенеративной медицины и создания искусственных эмбрионов, так как открывает новый путь для генерации стабильных клеточных линий на стадиях тотипотентности.
Мы на 8% состоим из ретровирусов
Генетический материал так называемых «эндогенных ретровирусов» был интегрирован в геномы организмов, которые могли быть движущей силой кембрийского взрыва — периода более 500 миллионов лет назад. За последнее десятилетие было обнаружено, что генетические последовательности этих вирусов составляют не менее 8–10% человеческого генома.
«До недавнего времени эти вирусные остатки считались «мусорной ДНК», — объясняет Де ла Роса. — Однако в последние годы мы начинаем понимать, что эти ретровирусы, которые сосуществовали с нами миллионы лет, выполняют важные функции, например, регулируют другие гены».
Переход от тотипотентности к плюрипотентности — вопрос темпа
Исследование показывает, что эндогенный ретровирус MERVL задает темп развития эмбриона, особенно на конкретном этапе перехода от тотипотентности к плюрипотентности.
«Это совершенно новая роль для эндогенных ретровирусов, — говорит Джоудер. — Мы обнаружили новый механизм, объясняющий, как эндогенный ретровирус напрямую контролирует факторы плюрипотентности».
Этот новый механизм действия включает ген URI. Если URI удалить у лабораторных животных, эмбрионы даже не начинают развиваться. Исследуя причину, Де ла Роза обнаружил его связь с ретровирусом MERVL.
Плавный переход
Результаты показывают, что одна из функций URI — обеспечивать действие молекул, необходимых для приобретения плюрипотентности. Оказалось, что белок эндогенного ретровируса MERVL-gag модулирует действие URI.
Исследователи обнаружили, что на фазе тотипотентности, когда в ооците всего две клетки, экспрессия вирусного белка MERVL-gag высока; этот белок связывается с URI и не дает ему действовать. Однако уровни постепенно меняются: количество вирусного белка MERVL-gag снижается, и URI может вступить в действие — появляется плюрипотентность.
«Когда высока экспрессия вирусного белка, факторов плюрипотентности меньше; по мере снижения экспрессии ERV, URI стабилизирует эти факторы», — объясняет Де ла Роза.
Симбиотическая коэволюция
«Наши выводы раскрывают симбиотическую коэволюцию эндогенных ретровирусов с клетками хозяина, чтобы гарантировать плавное и своевременное развитие раннего эмбриона», — объясняют авторы.
Трехсторонние отношения между вирусным белком, URI и факторами плюрипотентности тонко модулируются, «чтобы дать эмбриону достаточно времени для адаптации и координации плавного перехода от тотипотентности к плюрипотентности и спецификации клеточных линий во время эмбрионального развития», — заключает Джоудер.