Badacze ze Stanford University School of Medicine donoszą, iż materiał genetyczny pochodzący od starożytnych infekcji wirusowych jest kluczowy dla rozwoju człowieka.
Badacze zidentyfikowali kilka niekodujących RNA pochodzenia wirusowego, które są niezbędne do wczesnego różnicowania się zapłodnionej komórki jajowej w poszczególne tkanki ciała. Okazuje się, że zablokowanie produkcji tej cząsteczki zatrzymuje rozwój dzielącej się komórki jajowej.
Odkrycie nawiązuje do wcześniejszego stanfordzkiego badania z tego roku, które wykazało, że wczesne zarodki ludzkie są „napakowane” cząsteczkami najprawdopodobniej pochodzenia wirusowego, wytworzonymi na podstawie podobnych do nich „wstawek” w naszym materiale genetycznym.
„Zaczęliśmy gromadzić dowody na to, że te sekwencje wirusowe, być może początkowo zagrażające naszemu gatunkowi, zostały zasymilowane przez nasz genom dla naszej korzyści. W ten sposób mogły one nawet przyczyniać się do wytwarzania specyficznych gatunkowo cech i mieć wpływ na podstawowe procesy komórkowe, nawet u ludzi,” mówi dr Vittorio Sebastiano, assistant professor położnictwa i ginekologii.
Zespół dr Sebastiano skupił się na badaniu mechanizmów odpowiedzialnych za pluripotencję komórek, czyli zdolność pojedynczej komórki do różnicowania się w dowolny typ komórek organizmu – ludzka komórka jajowa staje się pluripotencjalna po zapłodnieniu. Badaczom udało się „nakłonić” w pełni rozwinięte komórki ciała człowieka do przekształcenia się w pierwotne komórki macierzyste – w tym celu poddawali je działaniu białek obecnych na bardzo wczesnym etapie rozwoju zarodkowego. Jednak póki co nie znamy jeszcze szczegółów procesów molekularnych towarzyszących tej transformacji.
Pradawne infekcje
Badacze wiedzą, że jeden z rodzajów RNA – znany jako długi międzygenowy niekodujący RNA (ang. long-intergenic noncoding) lub lincRNA – bierze udział w wielu ważnych procesach biologicznych, w tym również w nabywaniu zdolności do pluripotencji. Cząsteczki te wytwarzane są z naszego DNA, ale nie biorą udziału w produkcji białek. Zamiast tego, wpływają na ekspresję genów.
Sebastiano i Durruthy-Durruthy wykorzystali niedawno opracowaną technikę sekwencjonowania RNA aby dowiedzieć się, którego lincRNA znajduje się najwięcej w embrionalnych komórkach macierzystych. Dotychczas, tego rodzaju analizy były problematyczne ze względu na to, że wiele cząsteczek zawiera bardzo podobne, powtarzające się regiony, trudne do ułożenia w odpowiedniej kolejności.
Badacze zidentyfikowali ponad 2,000 nieznanych wcześniej sekwencji RNA i zauważyli, że 146 z nich jest szczególnie dużo w embrionalnych komórkach macierzystych. Naukowcy skupili się na najliczniejszych 23 sekwencjach, które określili jako HPAT1-23. Trzynaście z nich składało się prawie całkowicie z materiału genetycznego, który jest pozostałością zamierzchłych infekcji wirusowych. Odpowiedzialnego za nie wirusa nazwano HERV-H.
HERV-H znany jest jako retrowirus. Wirusy te przenoszą się poprzez wbudowanie swojego materiału genetycznego w genom zainfekowanej komórki. Dzięki temu wirus może wykorzystać maszynerię komórkową niezbędną do produkcji białek, które następnie zostają złożone w nowe wirusowe cząstki zdolne do zakażania kolejnych komórek. Jeśli zainfekowaną komórką jest plemnik lub komórka jajowa, retrowirusowa sekwencja może zostać przekazana następnym pokoleniom.
HIV jest obecnie najbardziej powszechnym retrowirusem wywołującym chorobę u ludzi. Ale nasze genomy są również zanieczyszczone sekwencjami będącymi pozostałościami po dawnych infekcjach retrowirusowych. W odróżnieniu od HIV, który infekuje nowe komórki, stare sekwencje retrowirusowe uważane są za stosunkowo obojętne; miliony lat ewolucji i nagromadzonych mutacji sprawiają, że kilka pozostałych wciąż sekwencji, służy teraz jedynie wydawaniu poleceń białkom funkcjonalnym.
Po odkryciu HPAT1-23 w embrionalnych komórkach macierzystych, Sebastiano wraz z zespołem przebadał występowanie tych cząsteczek w ludzkiej blastocyście. Okazało się, że HPAT2, HPAT3 i HPAT5 były obecne jedynie w wewnętrznej warstwie komórek blastocysty (tzw. węzeł zarodkowy), z których później kształtuje się płód.
Zablokowanie ich ekspresji w jednej z komórek dwukomórkowego zarodka, sprawia że potomne zmodyfikowanej komórki nie tworzą wewnętrznej warstwy zarodkowej. Dalsze badania wykazały, że ekspresja tych trzech genów jest również niezbędna do skutecznego przeprogramowania dorosłych komórek w indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste.
Sekwencje znalezione tylko u naczelnych
„Po raz pierwszy zostało wykazane, że cząstki RNA pochodzące od wirusów są bezpośrednio zaangażowane, a nawet niezbędne dla dalszych, kluczowych etapów rozwoju człowieka. Jednak najbardziej zaskakujące jest to, że sekwencje te występują jedynie u naczelnych, zwiększając prawdopodobieństwo, że ich funkcja mogła przyczynić się do unikalnych cech odróżniających człowieka od reszty zwierząt”, zauważa Sebastiano.
Naukowcy kontynuują swoje badania nad cząsteczkami HPAT. Dowiedzieli się, że szczególnie HPAT-5 wpływa na pluripotencję poprzez interakcję i zmiany ekspresji z członkami innej rodziny RNA (zwanej let-7) zaangażowanych w różnicowanie się komórek.
„Do tej pory elementy retrowirusowe klasyfikowano jako jedną grupę, funkcjonującą w zasadzie w ten sam sposób. Teraz wiemy już, że działają one jako pojedyncze elementy pełniące bardzo specyficzne i ważne funkcje dla naszych komórek. To fascynujące wyobrazić sobie w jaki sposób, w trakcie ewolucji, naczelne zaczęły recyklingować te wirusowe resztki w coś, co jest korzystne i niezbędne dla naszego rozwoju”, dodaje Durruthy-Durruthy.
Źródło:
- Jens Durruthy-Durruthy, Vittorio Sebastiano, Mark Wossidlo, Diana Cepeda, Jun Cui, Edward J Grow, Jonathan Davila, Moritz Mall, Wing H Wong, Joanna Wysocka, Kin Fai Au, Renee A Reijo Pera. The primate-specific noncoding RNA HPAT5 regulates pluripotency during human preimplantation development and nuclear reprogramming. Nature Genetics, 2015
- Stanford University Medical Center, Ancient viral molecules essential for human development. ScienceDaily, 23 November 2015.