Группа ученых из Великобритании и Франции пришла к выводу, что ретровирусы сыграли важную роль в эволюции нервной системы позвоночных животных, передав им ген, необходимый для создания миелиновой оболочки нервных волокон.
Исследователи обнаружили, что генетический элемент, полученный из ретровируса, или «ретротранспозон», необходим для производства миелина у млекопитающих, амфибий и рыб. Последовательность гена, которую они назвали «ретромиелином», вероятно, является результатом древней вирусной инфекции, а сравнение ретромиелина у млекопитающих, амфибий и рыб позволяет предположить, что ретровирусная инфекция и встраивание ретротраспозона в геном происходили независимо в каждой из этих групп.
«Ретровирусы были необходимы для развития эволюции позвоночных, — говорит старший автор исследования, нейробиолог Робин Франклин. — Если бы у не было ретровирусов, вживляющих свои последовательности в геном позвоночных, то миелинизации не произошло бы, а без миелинизации всего разнообразия позвоночных, каким мы его знаем, никогда бы не возникло».
Миелин представляет собой сложную жировую ткань, которая покрывает аксоны нервов позвоночных. Она обеспечивает быструю проводимость импульса без необходимости увеличения диаметра аксонов, что означает, что нервы могут быть расположены ближе друг к другу. Миелин также обеспечивает метаболическую поддержку нервов, что позволяет нервам быть длиннее. Миелин впервые появился на древе жизни примерно в то же время, что и челюсти, и его важность в эволюции позвоночных давно признана, но до сих пор было неясно, какие молекулярные механизмы вызвали его появление.
Исследователи заметили роль ретромиелина в производстве миелина, когда изучали генные сети, используемые олигодендроцитами — клетками, которые производят миелин в центральной нервной системе. В частности, команда исследовала роль некодирующих областей генома, включая ретротранспозоны, в этих генных сетях — то, 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 работы компьютерный биолог Танай Гхош. — Нашей мотивацией было узнать, как эти молекулы помогают эволюционным процессам, особенно в контексте миелинизации».
У грызунов исследователи обнаружили, что РНК-транскрипт ретромиелин регулирует экспрессию основного белка миелина. Когда они экспериментально ингибировали ретромиелин в олигодендроцитах и клетках-предшественниках олигодендроцитов (стволовых клетках, из которых происходят олигодендроциты), клетки больше не могли производить основной белок миелина.
Чтобы проверить, присутствует ли ретромиелин у других видов позвоночных, команда искала подобные последовательности в геномах челюстных позвоночных, бесчелюстных позвоночных и нескольких видов беспозвоночных. Они идентифицировали аналогичные последовательности у всех других классов челюстных позвоночных (птиц, рыб, рептилий и амфибий), но не обнаружили подобной последовательности у бесчелюстных позвоночных или беспозвоночных.
Затем исследователи хотели узнать, был ли ретромиелин когда-то включен в геном предка всех челюстных позвоночных или существовали отдельные ретровирусные инвазии в различных ветвях эволюционного древа позвоночных. Чтобы ответить на эти вопросы, они построили филогенетическое дерево для 22 видов челюстных позвоночных и сравнили их последовательности ретромиелина. Анализ показал, что последовательности были более сходны внутри видов, чем между видами, что позволяет предположить, что ретромиелин приобретался несколько раз в процессе конвергентной эволюции.
Авторы также продемонстрировали, что ретромиелин играет роль в миелинизации у рыб и амфибий. Когда они экспериментально нарушили последовательность гена ретромиелина в оплодотворенных икринках рыбок данио и лягушек, они обнаружили, что развивающиеся рыбы и головастики производят значительно меньше миелина, чем обычно.
По словам исследователей, их работа подчеркивает важность некодирующих участков генома для физиологии и эволюции. «Наши результаты открывают новое направление исследований для изучения того, как ретровирусы в целом участвуют в управлении эволюцией», — говорит Танай Гхош.
Работа опубликована в журнале Cell.
