Как древние вирусы помогли эволюции мозга и развитию позвоночных

Команда нейробиологов обнаружила, что трюк с ретровирусом оказался настолько удобным и полезным, что он много раз проявлялся в эволюции челюстных позвоночных.

Ретровирусы — это РНК-вирусы, которые проникают в клетку и создают свои ДНК-копии для встраивания в ДНК-хозяина. В некоторых случаях такие вставки становятся постоянной частью ДНК-хозяина и передаются от родителей к потомкам. Ученые когда-то считали остатки этих древних вирусов — «прыгающие» гены или ретротранспозоны, — генетическим мусором.

Но эта точка зрения меняется, говорит нейробиолог Джейсон Шепард из Университета Юты в Солт-Лейк-Сити, не принимавший участия в исследовании: «Мы обнаруживаем все больше и больше фактов, которые показывают, что эти ретротранспозоны и ретровирусы повлияли на эволюцию жизни на планете».

Уже было известно, что остатки ретровирусов способствовали эволюции плаценты, иммунной системы и другим важным вехам эволюции человека Теперь оказалось, что ретровирусы участвуют в выработке миелина.

Миелин — это оболочка из жиров и белка, которая покрывает длинные нервные волокна, так называемые аксоны. Покрытие работает примерно так же, как изоляция электрического провода: нервы, покрытые миелином, могут передавать электрические сигналы быстрее и надежнее, чем неизолированные.

Покрытые оболочкой нервные волокна могут быть тоньше и длиннее, чем нервы без изоляции, что позволяет животным достигать больших размеров. Соавтор новой работы Робин Франклин, биолог стволовых клеток из Altos Labs-Кембриджского научного института говорит, что более тонкие волокна более эффективно упаковываются в нервную систему: «В результате появления миелина мозг стал более сложным, а позвоночные — более разнообразными. Если бы миелинизация не произошла на ранней стадии эволюции позвоночных, у нас не было бы такого разнообразия позвоночных, которую мы видим сейчас».

Франклин и его коллеги начали разбираться в ранее собранных данных в поисках «прыгающих генов», особенно тех, которые могут влиять на выработку миелина. И ученые добились успеха: в данных о клетках, которые обертывают нервы миелином, команда обнаружила высокие уровни РНК древнего ретровируса.

Эта РНК, получившая название ретромиелин (RetroMyelin), не содержит инструкций по созданию самого белка. Скорее всего, как обнаружила команда, РНК прикрепляется к белку под названием SOX10, и вместе они запускают выработку основного белка миелина, который и обертывает миелином, как плотным рукавом, нервные клетки.

Когда исследователи использовали генетическое редактирование, чтобы уменьшить количество ретромиелина в мозге крыс, рыбок данио-рерио и лягушек, ученые увидели, что производство основного белка миелина упало. Это открытие показало, что РНК ретромиелина важна для производства миелина.

У организмов с позвонками и челюстями, в том числе рыб, амфибий и млекопитающих есть ретромиелин, а у миног и других бесчелюстных рыб и беспозвоночных этого ретровируса — нет. Это могло бы свидетельствовать о том, что ретровирус встроился в ДНК общего предка челюстных позвоночных и дальше передавался потомству, но оказалось, что это не так.

Команда обнаружила, что у каждого вида, который они исследовали, была своя собственная версия ретромиелина, а не родственные версии с некоторыми незначительными изменениями. Это показывает, что ретровирус заразил несколько видов в разное время, но это привело к одному и тому же результату.

Остается непонятным, почему у миног и других бесчелюстных позвоночных нет ретромиелина. Одна из возможностей заключается в том, что вирусы не заражают миног, а, может быть, вирусы проникли в ДНК миног, но оказались бесполезными с точки зрения эволюции и были утеряны.

Для челюстных позвоночных наличие компонентов, необходимых для производства миелина, возможно, было важно и давало эволюционные преимущества. Эйрен Маркенскофф-Пападимитриу, нейробиолог из Корнелльского университета, не принимавшая участия в исследовании предполагает: «Мы постоянно заражаемся, и некоторые из этих вирусов дают эволюционное преимущество». По ее словам, ученые видят историю успеха, когда ретромиелин сразу же давал преимущество организму-хозяину и сохранялся.