В эволюции ЦНС участвовали ретровирусы

Миелиновая оболочка, окружающая аксоны, сыграла важную роль в эволюции позвоночных. Ученые из Великобритании и Франции обнаружили, что для экспрессии генов миелина требуется РНК ретротранспозона ретровирусного происхождения. Этот ретротранспозон ученые назвали ретромиелином, и его роль указывает на важность эндогенизации ретровирусов в возникновении миелина позвоночных.

Ускоряя передачу сигнала, миелиновая оболочка позволила аксонам функционировать на гораздо большей длине, и, следовательно, позвоночным достичь большего размера и разнообразия. Также она сыграла роль в эволюции центральной нервной системы (ЦНС). Гены, критически важные для миелинизации (например, Mbp — основной белок миелина), появились у позвоночных одновременно с возникновением челюстей. Однако до сих пор оставалось неясным, что вызвало это важное эволюционное событие.

Один из путей регуляции генов связан с ретротранспозонами — подклассом мобильных генетических элементов. Хотя функциональные ретротранспозоны уже связывали с поддержанием стволовых клеток, их роль в регуляции созревания олигодендроцитов ранее была неизвестна.

Ученые идентифицировали ретротранспозоны в геноме крысы с помощью транскриптомного анализа на базе микрочипов. Они проанализировали олигодендроциты, выделенные из мозга семидневных крысят. Чтобы выявить функциональные связи между РНК ретротранспозонов и белок-кодирующими мРНК, исследователи воспользовались анализом взвешенных сетей коэкспрессии генов (WGCNA). Они выявили 13 модулей, экспрессия которых значимо менялась в олигодендроцитах. Один из модулей имел наибольшую ассоциацию с олигодендроцитами, и анализ генной онтологии указал на его связь с процессом миелинизации. Исследователи предположили, что ретротранспозоны этого модуля вовлечены в регуляцию экспрессии генов, участвующих в миелинизации. В частности, в этот модуль входил ретротранспозон RNLTR12-int, который активно экспрессировался олигодендроцитами, и именно на нем сосредоточились авторы статьи.

Консенсусная последовательность RNLTR12-int — это внутренняя последовательность эндогенного ретровируса 1 (ERV1). Авторы работы обнаружили 198 последовательностей RNLTR12-int в геноме крысы, 118 из которых были фланкированы длинными концевыми повторами (LTR). Также они установили, что копии RNLTR12-int в геноме крысы отличались от консенсусной последовательности менее чем на 1%.

Сравнение экспрессии RNLTR12-int в олигодендроцитах и их предшественниках выявило различие уровней в 2,5 раза — олигодендроциты экспрессировали РНК этого ретротранспозона в большем количестве.

Затем ученые продемонстрировали, что РНК RNLTR12-int необходима для экспрессии Mbp. Они вводили малые интерферирующие РНК в клетки-предшественники олигодендроцитов. Клетки, в которых экспрессия RNLTR12-int была подавлена таким способом, синтезировали на 98% меньше основного белка миелина, а их дифференцировка нарушалась — на пятый день инкубации они не демонстрировали нормальной морфологии олигодендроцитов. Аналогичный эффект нокдаун RNLTR12-int оказал на формирующиеся Шванновские клетки — в них нарушалась экспрессия миелинового белка 0 (MPZ).

С транскрипционными факторами, влияющими на экспрессию целевых генов, способны связываться некодирующие РНК. Исходя из этого, ученые проверили, регулирует ли RNLTR12-int опосредованную SOX10 транскрипцию Mbp и связывается ли РНК этого ретротранспозона с SOX10 in vivo. Результаты иммунопреципитации РНК в образцах мозга крыс позволили ответить на последний вопрос утвердительно. Кроме того, ученые выяснили, что связывание SOX10 с промотором Mbp требует участия RNLTR12-int — нокдаун этой РНК препятствовал связыванию транскрипционного фактора с промотором. Аналогичный эффект наблюдался и для некоторых других генов, экспрессия которых зависит от SOX10, но только для небольшого их числа (31 из 3920 генов или 0,8%).

Установив регуляторную роль RNLTR12-int в экспрессии основного белка миелина, ученые провели поиск RNLTR12-int-подобных последовательностей в геноме челюстных и бесчелюстных позвоночных, а также некоторых беспозвоночных. Они воспользовались скрытыми марковскими моделями (HMM), аннотацией повторов и идентификацией их семейств. Оказалось, что у всех классов челюстных позвоночных, включая древних хрящевых рыб, в геноме встречаются такие последовательности. Авторы дали им название «ретромиелин». При этом у бесчелюстных позвоночных, бесчелюстных хордовых (ланцетник) и беспозвоночных ретромиелина обнаружено не было.

Каким образом ретромиелин возник в геноме челюстных позвоночных? Существует два возможных сценария — ретромиелиновые последовательности могли быть приобретены один раз последним общим предком либо возникнуть независимо в результате нескольких «одомашниваний» ретровируса. В первом случае дивергенция последовательностей началась бы на стадии предка, и копии, отобранные у одного вида, не формировали бы отдельных кластеров на филогенетическом древе. Такие кластеры образовывались бы в том случае, если бы дивергенция происходила только внутри вида — то есть шла независимо. Чтобы выбрать между двумя гипотезами, исследователи проанализировали копии ретромиелиновых последовательностей 22 различных видов.

На реконструированном филогенетическом древе копии от каждого вида группировались вместе. Это говорит о том, что ретромиелиновые последовательности попадали в геномы хозяев независимо, а их функциональная роль, по-видимому, возникла в результате конвергентной эволюции.

Исследователи заключают, что ретромиелин — RNLTR12-int-подобные последовательности — существуют у всех челюстных позвоночных, у которых наблюдается миелинизация. Сам ретромиелин регулирует транскрипцию основного миелинового белка, и его возникновение в ходе эволюции связано с «одомашниванием» ретровируса ERV1. «Ретровирусы были необходимы для того, чтобы эволюция позвоночных пошла в гору», — комментирует нейробиолог Робин Франклин, старший автор работы. «Если бы не было ретровирусов, встраивающих свои последовательности в геном позвоночных, то миелинизации бы не произошло, а без миелинизации никогда бы не возникло все известное нам многообразие позвоночных».

Цитата по пресс-релизу

Ретровирус в геноме управляет ходом эмбриогенеза мыши