Ретровирус в геноме управляет ходом эмбриогенеза мыши

Эмбриональное развитие начинается с превращения оплодотворенного ооцита в тотипотентную зиготу. Тотипотентная клетка может дать начало всему организму. После первого деления клетки еще остаются тотипотентными, но на стадии четырех клеток они уже являются плюрипотентными. В этом переходе важную роль играют транскрипционные факторы OCT4 и SOX2. Они долгое время остаются стабильно связанными с ДНК и помогают решить судьбу клетки. Однако по-прежнему неясен механизм, контролирующий стабильность факторов плюрипотентности.

Приблизительно 10% генома млекопитающих состоит из эндогенных ретровирусов — останков древних вирусов, когда-то заразивших клетки и интегрировавших в их геном. Долгое время их относили к так называемой мусорной ДНК, однако не так давно были получены свидетельства важной функции, выполняемой ретровирусами. Они активируются в ходе эмбриогенеза, например, ретровирус класса III MERVL экспрессируется в двухклеточном эмбрионе и, по всей видимости, способствует экспрессии генов, связанных с тотипотентностью. Активация MERVL в плюрипотентных стволовых клетках может сделать клетки тотипотентными. Подавление экспрессии MERVL не позволяет выделиться различным линиям в эмбрионе. MERVL также кодирует белок gag, который формирует вирусоподобные частицы. Неясен механизм, которые используют ретровирусы, контролирующие клеточную судьбу и переход от тотипотентности к плюрипотентности. В новой работе ученые из Испании выявили механизм действия MERVL и подтвердили его важную роль в ходе эмбриогенеза.

Белок URI изначально был выявлен как член сигнального каскада, координирующего доступность нутриентов и экспрессию генов. Его оверэкспрессия у мышей ведет к опухолеобразованию, а удаление — к отказу органов. То есть поддержание гомеостаза URI — важная задача. Авторы предположили, что и на стадии эмбриогенеза мыши гомеостаз URI тоже играет важную роль.

Чтобы проверить эту гипотезу, авторы рассмотрели экспрессию URI в эмбрионе до имплантации. Уровни белка и мРНК URI постепенно нарастали до конечной стадии бластоцисты. На двухклеточной стадии URI экспрессировался неравномерно в двух бластомерах, однако уровни мРНК в них не отличались. Его экспрессия коррелировала с экспрессией OCT4 и SOX2. Иммунопреципитация хроматина показала, что эти два транскрипционных фактора регулировали экспрессию URI. Дальнейший анализ продемонстрировал, что экспрессия URI коррелирует с плюрипотентностью клеток. Авторы предположили, что URI нужен для перехода от тотипотентных к плюрипотентным клеткам.

Нокаут URI в гетерозиготе не влиял на развитие эмбриона, эмбрионы же с полным нокаутом URI погибали через 5 дней после оплодотворения. Потеря URI нарушала переход от тотипотентности к плюрипотентности и не давала нормально разделяться клеточным линиям на более поздних стадиях. В плюрипотентных клетках без URI снижалась экспрессия OCT4, SOX2 и NANOG, то есть URI нужен для поддержания факторов плюрипотентности.

Экспрессия факторов плюрипотентности снижена на двухцепочечной стадии эмбриона (на уровне белка, но не мРНК). Интересно, что при искусственном снижении уровня экспрессии URI в мышиных эмбриональных стволовых клетках повышается уровень экспрессии известного маркера двухклеточной стадии ZSCAN4. Также повышалась экспрессия мобильных элементов и других маркеров тотипотентности. Таким образом, потеря URI ведет к переходу от плюрипотентности к тотипотентности. Экспрессия URI отрицательно коррелировала с маркерами двухклеточной стадии эмбриона — Zscan4 и MERVL.

При снижении уровня экспрессии URI уменьшалась и экспрессия факторов плюрипотентности, но только на уровне белка, а не мРНК. Ингибитор протеасом временно повышал уровень экспрессии этих белков. Авторы заключили, что URI необходим для стабилизации основных факторов плюрипотентности по время перехода от тотипотентным клеткам к плюрипотентным — он защищает OCT4 и SOX2 от деградации протеасомами.

Снижение экспрессии MERVL приводит к гибели эмбриона. На него приходится 3% всех транскриптов, специфичных для тотипотентного эмбриона. Нокдаун MERVL ведет к повышению экспрессии OCT4 и SOX2 на двухклеточной и четырехклеточной стадиях. Авторы предположили, что URI и MERVL работают совместно, чтобы обеспечить стабильность факторов плюрипотентности. При этом MERVL-gag взаимодействует напрямую с URI, но не с OCT4 и SOX2, тогда как URI связывает эти факторы плюрипотентности, защищая их от деградации протеасомами. Присутствие MERVL-gag нарушает этот комплекс, приводя к деградации OCT4 и SOX2, поддерживая тотипотентное состояние.

Таким образом, MERVL-gag, специфично экспрессируемый на двухклеточной стадии, нарушает связывание URI и факторов плюрипотентности. Это ведет к деградации OCT4 и SOX2. URI охраняет целостность OCT4 и SOX2 при переходе к состоянию плюрипотентности и поддержании его. Эндогенные ретровирусы эволюционировали в симбиозе с клетками хозяина для тонкой настройки потенциала клеточного развития в ходе эмбриогенеза.

Модель человеческого эмбриона возрастом две недели получена из стволовых клеток