Materiał genetyczny pochodzenia wirusowego - śmieciowe DNA czy ważny wpływ na rozwój człowieka? Przełom w tworzeniu sztucznych embrionów
Do niedawna materiał genetyczny pochodzenia wirusowego uważano za tzw. śmieciowe DNA, jednak obecnie wiadomo już, że jego rola w rozwoju człowieka jest ogromna - jest niezbędne dla zainicjowania procesu, który następuje kilka godzin po zapłodnieniu, kiedy komórki zarodka zaczynają się różnicować.
Naukowcy z Hiszpańskiego Krajowego Centrum Badań nad Rakiem jako pierwsi na świecie opisali znaczenie wirusowego DNA dla kluczowego procesu w rozwoju człowieka, jakim jest nabycie przez komórki zarodka pluripotencji, czyli zdolność do różnicowania się w dowolny typ komórek somatycznych. Ich odkrycie, opisane na łamach „Science Advances”, może stanowić przełom w medycynie regeneracyjnej i tworzeniu sztucznych embrionów.
Rozwój embrionalny człowieka - czy wirusy są potrzebne?
Ewolucja zwierząt stała się możliwa dzięki temu, że setki milionów lat temu wirusy zainfekowały prymitywne organizmy wielokomórkowe. Ich materiał genetyczny wbudował się w genom gospodarzy i utrwalił tam na zawsze. Do dziś znajduje się nawet w naszym - ludzkim - DNA. Jednak dopiero teraz hiszpańscy naukowcy wyjaśnili, jakie było jego faktyczne znaczenie i co sprawiło, że stał się niezbędny dla kluczowego etapu rozwoju zwierzęcych embrionów.
W rozwoju embrionalnym człowieka już w kilka godzin po zapłodnieniu dochodzi do pierwszego podziału zygoty, czyli komórki powstałej w wyniku połączenia gamety męskiej i żeńskiej. W efekcie tworzą się dwie komórki potomne, które są totipotencjalne, co oznacza, że mają zdolność do różnicowania się w dowolny rodzaj komórek i mogą stworzyć cały organizm. Kolejny podział zygoty prowadzi do powstania czterech komórek, które nie są już toti-, a pluripotencjalne - mogą różnicować się w komórki dowolnej wyspecjalizowanej tkanki ciała.
I właśnie w tym etapie rozwoju - przejściu z toti- do pluripotencji - uczestniczy pradawne DNA wirusowe.
Materiał genetyczny tzw. endogennych retrowirusów zintegrował się z genomami organizmów zwierzęcych ponad 500 milionów lat temu. W ciągu ostatniej dekady odkryto, że sekwencje takie stanowią co najmniej 8–10 proc. ludzkiego genomu.
- Do niedawna uważano je za tzw. śmieciowe DNA, czyli takie, które nie pełni żadnych funkcji, a nawet może być szkodliwe – wyjaśnia jeden z autorów publikacji Sergio De la Rosa. - Intuicyjnie sądzono, że wbudowany w genom wirus nie może oznaczać niczego dobrego. Jednak w ostatnich latach zaczynamy zdawać sobie sprawę, że te retrowirusowe sekwencje, które ewoluowały wraz z nami na przestrzeni milionów lat, sprawują bardzo ważne role, np. regulują inne geny - dodaje.
Jednym z endogennych retrowirusów badanych przez naukowców z Hiszpanii był MERVL. W toku analiz ustalono, że wyznacza on tempo rozwoju zarodka, szczególnie na etapie przejścia od totipotencji do pluripotencji, i reguluje odpowiadający za ten proces mechanizm. - To zupełnie nieznana dotąd rola endogennych retrowirusów – mówi współautor badania Nabil Djouder. - Odkryliśmy mechanizm wyjaśniający, w jaki sposób endogenny retrowirus bezpośrednio kontroluje czynniki pluripotencji - dodaje.
Okazało się, że ten nowy mechanizm obejmuje m.in. gen kodujący białko URI. Już wiele lat temu odkryto, że usunięcie go z genomu zwierząt laboratoryjnych powoduje, iż zarodki w ogóle nie mogą się rozwijać, gdyż jedną z funkcji URI jest umożliwienie działania molekułom niezbędnym do uzyskania pluripotencji; jeśli URI nie działa, nie działają też czynniki pluripotencji i komórka pozostaje w stanie totipotencji.
Teraz De la Rosa i Djouder wykazali, w jaki sposób URI i materiał genetyczny endogennego retrowirusa MERVL łączą się ze sobą. Okazało się, że to właśnie sekwencja retrowirusowa, kodująca białko MERVL-gag, moduluje działanie URI.
Naukowcy odkryli, że w fazie totipotencji, kiedy zygota składa się z zaledwie dwóch komórek, ekspresja białka wirusowego MERVL-gag jest wysoka. Białko to wiąże się wówczas z URI i hamuje jego działania. Jednakże z czasem poziom MERVL-gag spada, w skutek czego URI może zacząć działać i pojawia się pluripotencja.
- Jest to płynne przejście - wyjaśnia De la Rosa. - Kiedy mamy wysoką ekspresję białka wirusowego, występuje mniej czynników pluripotencji, a gdy ekspresja ta maleje, URI stabilizuje te czynniki - podkreśla.
- Nasze odkrycia ujawniają istnienie symbiotycznej koewolucji endogennych retrowirusów z komórkami ich gospodarzy, która gwarantuje płynny i terminowy postęp wczesnego rozwoju embrionalnego – podkreślają autorzy w „Science Advances”.
Zaznaczają, że trójstronna zależność między białkiem kodowanym przez sekwencje wirusowe, URI i czynnikami pluripotencji jest bardzo precyzyjnie modulowana, „aby zapewnić embrionowi wystarczającą ilość czasu na dostosowanie się i koordynację płynnego przejścia od totipotencji do pluripotencji oraz specyfikacji linii komórkowej podczas rozwoju embrionalnego”.
Gry naszego dzieciństwa. Pamiętasz je wszystkie?
