Російські вчені показали, що один з 133 ендогенних ретровірусів, вбудована в наш геном після поділу еволюційних ліній людини і шимпанзе, піддався "молекулярному одомашниванию" і тепер функціонує як регуляторного елемента, керуючого роботою гена PRODH в деяких відділах мозку (в першу чергу в гіпокампі ). Ген PRODH бере участь у синтезі нейромедіаторів, а його важливість для роботи мозку підтверджується тим, що мутації в ньому впливають на ризик розвитку шизофренії. Ретровірус містить в собі дві ділянки, до яких прикріплюється регуляторний білок SOX2, що призводить до збільшення активності PRODH в мозку. Вся сукупність отриманих даних свідчить про те, що дана ретровірусна вставка зіграла якусь роль в еволюції людського мозку.

Вбудуватися ретровірусні геноми (ендогенні ретровіруси, ЕРВ) у великій кількості присутні в геномах тварин. У людини таких вірусних вставок знайдено близько ста тисяч. Разом вони складають 5 - 8% людського генома (див.: Belshaw et al., 2004. Long-term reinfection of the human genome by endogenous retroviruses). Як і інші мобільні генетичні елементи, ЕРВ нерідко піддаються "молекулярному одомашниванию", тобто стають корисною частиною хазяйського геному. Справа в тому, що в них є готові до використання регуляторні елементи промотори і енхансери (див. також enhancer), що впливають на активність прилеглих генів. Тому кожне переміщення транспозона або вставка нового ЕРВ може змінити регуляцію експресії того чи іншого хазяйського гена. Якщо зміна виявиться корисним, відбір підтримає дану вставку і ЕРВ з "егоїстичного" елемента перетвориться в корисний шматочок генома хазяїна (див. посилання в кінці замітки).

З безлічі ЕРВ, присутніх в нашому геномі, тільки 133 є унікальними для людини (їх називають hsERV, human-specific endogenous retroviruses). hsERV це наймолодші ендогенні ретровіруси, вони прилаштувалися в геном наших предків вже після їх відділення від предків шимпанзе. Вивчення hsERV представляє особливий інтерес. Адже якщо вдасться знайти серед них "одомашнені", це може пролити світло на генетичні аспекти антропогенезу і допомогти в пошуку генів, зміни в роботі яких зробили нас людьми (див. новина: Чи будуть розшифровані генетичні основи розуму?, "Елементи", 09.10. 2006).

Один такий одомашнений hsERV вдалося знайти групі російських вчених з Інституту біоорганічної хімії РАН, Центру дитячої гематології, онкології та імунології МОЗ, Інституту вищої нервової діяльності та нейрофізіології РАН, факультету фундаментальної медицини, Інституту фізико-хімічної біології МДУ і Російського національного дослідницького медичного університету спільно з колегою з Бостонського університету. Раніше Антон Буздин і його колеги показали, що багато hsERV проявляють промоторних активність в людських тканинах, тобто ініціюють транскрипцію прилеглих ділянок ДНК, але така їх діяльність не обов'язково є корисною для господаря (див.: Buzdin et al., 2006. At Least 50 % of Human-Specific HERV-K (HML-2) Long Terminal Repeats Serve In Vivo as Active Promoters for Host Nonrepetitive DNA Transcription).

У новій статті, опублікованій в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, автори повідомили про результати цілеспрямованого пошуку ендогенні ретровірусів hsERV, що працюють як енхансери, тобто беруть участь в регуляції якихось людських генів. З 133 відомих на сьогоднішній день hsERV тільки шість розташовані в безпосередній близькості від відомих генів (на відстані до 5000 пар основ перед сайтом початку транскрипції). Діючі енхансери зазвичай (хоча й не завжди) розташовуються саме в цій області, тому дослідники зосередили свої зусилля на цих шести hsERV.

Щоб виявити енхансерную активність, вчені об'єднували ділянки ДНК, що містять hsERV, з геном люциферази (ферменту, завдяки якому світяться світлячки), а отримані конструкції вставляли в людські клітини з декількох різних клітинних культур (див. трансфекція). В якості контролю використовувалися такі ж конструкції, тільки з вилученими hsERV. Ці досліди дозволили звузити коло пошуку до трьох hsERV, які, як з'ясувалося, істотно підвищують експресію сусіднього гена (у даному випадку люціферази). Енхансерная активність цих трьох hsERV проявилася тільки в одній клітинній культурі (Tera1) з чотирьох випробуваних. Це означає, що активність передбачуваних енхансером в живому організмі, швидше за все, проявляється не всюди, а лише в якихось певних тканинах. Слід підкреслити, що проведені експерименти не виключають можливості того, що й інші три hsERV теж мають енхансерную активність, просто в даних клітинних культурах вона не виявилася.

Подальші експерименти дозволили авторам відкинути ще двох кандидатів і зосередитися на одному hsERV, який в людському геномі розташовується перед геном PRODH. Як з'ясувалося, тільки у цього hsERV енхансерная активність, виявлена у люціферазних тестах, корелює з експресією передбачуваного підконтрольного гена (у даному випадку гена PRODH) в клітинних культурах.

У шимпанзе ділянка ДНК перед геном PRODH відрізняється від людського тим, що в ньому відсутня ендогенний ретровірус. Як з'ясувалося, людський ділянка, що містить hsERV, забезпечує значно вищий рівень експресії люциферази в клітинній культурі Tera1 в порівнянні з ділянкою шимпанзе.

Всі ці результати говорять про те, що ретровірусна вставка, яку автори позначили як hsERVPRODH, призвела до підвищення експресії гена PRODH в якихось тканинах людського організму.

Відомо, що активність регуляторних ділянок ДНК, в свою чергу, може регулюватися за допомогою метилювання (див. метилирование ДНК). Подальші експерименти з трансфіковані клітинами підтвердили, що це справедливо і для енхансера hsERVPRODH. Високий рівень метилування знижує його здатність активувати експресію сусіднього гена, тоді як низький рівень метилування, навпаки, підсилює дію енхансера.

Яка функція гена PRODH й чи могло зміна його активності в результаті ретровірусної вставки зіграти якусь роль в еволюції людини? Судячи з усього, могло. Кодований цим геном фермент пролин-дегидрогеназа бере участь у метаболізмі амінокислоти проліну. У клітинах мозку з пролина синтезується глутамат найважливіший нейромедіатор. Тому активність PRODH теоретично може впливати на баланс нейромедіаторів і, як наслідок, на роботу мозку. Це підтверджується тим, що деякі мутації гена PRODH у людини підвищують ризик розвитку шизофренії та інших неврологічних порушень.

Автори виміряли рівень експресії PRODH в зразках людських тканин і виявили, що найактивніше цей ген працює в мозку. Тоді вчені порівняли між собою зразки різних ділянок мозку. Максимальна активність PRODH виявилася в гіпокампі; висока активність відзначена також у тім'яних і потиличних частках кори великих півкуль. Потім було виміряно рівень метилування hsERVPRODH в різних відділах мозку. Ендогенний ретровірус виявився сильно метилірованої скрізь, крім гіпокампу. Автори також порівняли рівень експресії PRODH в трьох відділах мозку (гіпокампі, префронтальної корі і хвостатом ядрі) у людини і шимпанзе. Виявилося, що у всіх трьох відділах PRODH у людини працює активніше, ніж у шимпанзе. Нарешті, автори показали, що PRODH експресується в гіпокампі виключно в нейронах, але не в інших клітинах мозкової тканини (таких як астроцити і клітини мікроглії).

Енхансери регулюють активність прилеглих генів за допомогою спеціальних регуляторних білків транскрипційних факторів (ТФ), які прикріплюються до ділянок ДНК з певною послідовністю нуклеотидів (сайтам зв'язування ТФ), що входять до складу енхансера. Додаткові експерименти дозволили встановити, що hsERVPRODH містить два активних сайту зв'язування найважливішого транскрипційного фактора SOX2. Як і багато інших ключові білки-регулятори, SOX2 виконує в організмі безліч різних функцій. Зокрема, він регулює ранні етапи ембріонального розвитку (див. новини Вчені розробили новий метод отримання стовбурових клітин, "Елементи", 11.11.2008 та Виявлено білок, що відповідає за своєчасне включення генів у ембріонів, "Елементи", 02.09.2013). Крім того, він відіграє важливу роль у розвитку центральної нервової системи. У головному мозку максимальна експресія SOX2 спостерігається в гіпокампі якраз там, де роль hsERVPRODH в регуляції активності PRODH, мабуть, найбільш виражена. Експерименти підтвердили, що SOX2 дійсно прикріплюється до двох сайтам зв'язування, що входять до складу hsERVPRODH, і це дійсно веде до зростання експресії PRODH.

Отже, вималювалася наступна картина. У якийсь момент після поділу еволюційних ліній людини і шимпанзе в геном наших предків неподалік від гена PRODH вбудувався черговий ретровірус, що поставило активність гена PRODH в залежність від транскрипційного фактора SOX2. Це призвело до зростання активності PRODH в різних відділах мозку, в першу чергу в гіпокампі, де експресія SOX2 максимальна.

Яким чином все це вплинуло на функціонування мозку, ще належить з'ясувати, але те, що вплив мало місце і було корисним в цьому практично немає сумнівів, інакше добір не зберіг би таке нововведення. Отже, перед нами ще один приклад того, як "одомашнений" вірус став невід'ємною частиною хазяйського геному. Письменники-фантасти, що складали історії про віруси, контролюючих людський мозок, виявилися не так вже й далекі від істини.

Автори відзначають, що у багатьох інших людських ЕРВ, родинних изученному, є ті ж самі дві ділянки, придатні для прикріплення SOX2. Судячи з того, що ці ділянки досить консервативні мало змінювалися в ході еволюції, можна припустити, що хоча б деякі з них дійсно функціонують як сайти зв'язування SOX2 і це чимось корисно організму. Можна очікувати, що подальше вивчення ендогенних ретровірусів призведе до нових цікавих відкриттів.

Джерело: Maria Suntsova, Elena V. Gogvadze, Sergey Salozhin, Nurshat Gaifullin, Fedor Eroshkin, Sergey E. Dmitriev, Natalia Martynova, Kirill Kulikov, Galina Malakhova, Gulnur Tukhbatova, Alexey P. Bolshakov, Dmitry Ghilarov, Andrew Garazha, Alexander Aliper, Charles R. Cantor, Yuri Solokhin, Sergey Roumiantsev, Pavel Balaban, Alex Zhavoronkov, and Anton Buzdin. Human-specific endogenous retroviral insert serves as an enhancer for the schizophrenia-linked gene PRODH / / Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Published online before print November 11, 2013.

О "молекулярному одомашнивании" див. також:
1) Стаття з останнього випуску журналу Science, в якій показано, що одомашнені мобільні елементи зіграли важливу роль в еволюції статевих хромосом у плодових мушок: Christopher E. Ellison, Doris Bachtrog, 2013. Dosage Compensation via Transposable Element Mediated Rewiring of a Regulatory Network.
2) Предки людини запозичили корисні гени у вірусів, "Елементи", 22.10.2008.
3) Порівняння геномів 29 ссавців проливає світло на еволюцію людини, "Елементи", 05.11.2011.

Читайте також: Сушимо м'ясо

Цікавий факт

Республіка Італія (таке офіційна назва країни) має більше шедеврів мистецтва на квадратний кілометр, ніж будь-яка інша країна світу.