Все животные эволюционировали благодаря тому, что сотни миллионов лет назад определенные вирусы заразили примитивные организмы. Вирусный генетический материал был интегрирован в геном первых многоклеточных существ и до сих пор находится в нашей ДНК.
Впервые исследователи из CNIO (Испанского национального центра исследования рака) описывают в журнале Science Advances роль, которую эти вирусы играют в процессе, который абсолютно необходим для нашего развития и который происходит через несколько часов после оплодотворения: переход к плюрипотентности, когда в яйцеклетке от двух до четырех клеток.
До этого этапа каждая из двух клеток зародыша тотипотентна, т. е. может развиваться внутри самостоятельного организма; четыре клетки следующей стадии не тотипотентны, а плюрипотентны, поскольку могут дифференцироваться в клетки любой специализированной ткани организма.
Генетический материал так называемых теперь «эндогенных ретровирусов» был интегрирован в геномы организмов, которые, возможно, были движущей силой кембрийского взрыва, периода более 500 миллионов лет назад, когда мировые моря пережили «бум» биоразнообразия. Было обнаружено, что за последнее десятилетие генетические последовательности этих вирусов составляют не менее 8–10% генома человека.
«До недавнего времени эти остатки вируса считались «мусорной ДНК», генетическим материалом, который был непригоден для использования или даже вреден», — объясняет ведущий автор исследования Серджио Де ла Роза. «Интуитивно считалось, что наличие вирусов в геноме не может быть хорошим. Однако в последние годы мы начинаем понимать, что эти ретровирусы, которые эволюционировали вместе с нами на протяжении миллионов лет, выполняют важные функции, такие как регулирование другие гены. Это чрезвычайно активная область исследований».
Исследование показывает, что эндогенный ретровирус MERVL задает темп развития эмбриона, особенно на определенном этапе перехода от тотипотентности к плюрипотентности, и объясняет механизм, благодаря которому это происходит.
«Это совершенно новая роль для эндогенных ретровирусов», — говорит соавтор исследования Набиль Джудер. «Мы открыли новый механизм, который объясняет, как эндогенный ретровирус напрямую контролирует факторы плюрипотентности».
Этот новый механизм действия включает URI, ген, который группа Джудера тщательно исследует. Несколько лет назад было обнаружено, что если удалить URI у лабораторных животных, эмбрионы даже не смогут развиваться. Де ла Роса хотел выяснить, почему и как была обнаружена его связь с ретровирусом MERVL.
Результаты показывают, что одной из функций URI является обеспечение действия молекул, необходимых для приобретения плюрипотентности; если URI не действует, то и факторы плюрипотентности не действуют, и клетка остается в состоянии тотипотентности. Оказывается, это эндогенный белок ретровируса MERVL-gag, который модулирует действие URI.
Исследователи обнаружили, что во время фазы тотипотентности, когда в ооците всего две клетки, экспрессия вирусного белка MERVL-gag высока; этот белок связывается с URI и предотвращает его действие. Однако постепенно уровни изменяются, так что уровень вирусного белка MERVL-gag снижается и URI может вступить в действие: появляется плюрипотентность.
Как объясняет Де ла Роза: «Это плавный переход. Когда наблюдается высокая экспрессия вирусного белка, факторов плюрипотентности становится меньше; по мере снижения экспрессии ERV URI стабилизирует такие факторы».
«Наши результаты показывают симбиотическую коэволюцию эндогенных ретровирусов с клетками-хозяевами, чтобы гарантировать плавное и своевременное развитие раннего эмбрионального развития», — объясняют авторы.
Другими словами, трехсторонняя связь между вирусным белком, URI и факторами плюрипотентности тонко модулируется, «чтобы дать эмбриону достаточно времени для адаптации и координации плавного перехода от тотипотентности к плюрипотентности и спецификации клеточного клона во время эмбрионального развития», - заключает Джудер.
