Российские ученые показали, что один из 133 эндогенных ретровирусов, встроившихся в наш геном после разделения эволюционных линий человека и шимпанзе, подвергся «молекулярному одомашниванию» и теперь функционирует в качестве регуляторного элемента, управляющего работой гена PRODH в некоторых отделах мозга (в первую очередь в гиппокампе). Ген PRODH участвует в синтезе нейромедиаторов, а его важность для работы мозга подтверждается тем, что мутации в нем влияют на риск развития шизофрении. Ретровирус содержит в себе два участка, к которым прикрепляется регуляторный белок SOX2, что приводит к увеличению активности PRODH в мозге. Вся совокупность полученных данных говорит о том, что данная ретровирусная вставка сыграла какую-то роль в эволюции человеческого мозга.
Встроившиеся ретровирусные геномы (эндогенные ретровирусы, ЭРВ) в большом количестве присутствуют в геномах животных. У человека таких вирусных вставок найдено около ста тысяч. Вместе они составляют 5–8% человеческого генома. Как и другие мобильные генетические элементы, ЭРВ нередко подвергаются «молекулярному одомашниванию», то есть становятся полезной частью хозяйского генома. Дело в том, что в них имеются готовые к использованию регуляторные элементы — промоторы и энхансеры, влияющие на активность близлежащих генов. Поэтому каждое перемещение транспозона или вставка нового ЭРВ может изменить регуляцию экспрессии того или иного хозяйского гена. Если изменение окажется полезным, отбор поддержит данную вставку и ЭРВ из «эгоистического» элемента превратится в полезный кусочек генома хозяина.
Из множества ЭРВ, присутствующих в нашем геноме, только 133 являются уникальными для человека (их называют hsERV, human-specific endogenous retroviruses). hsERV — это самые молодые эндогенные ретровирусы, они встроились в геном наших предков уже после их отделения от предков шимпанзе. Изучение hsERV представляет особый интерес. Ведь если удастся найти среди них «одомашненные», это может пролить свет на генетические аспекты антропогенеза и помочь в поиске генов, изменения в работе которых сделали нас людьми.
Один такой одомашненный hsERV удалось найти группе российских ученых из Института биоорганической химии РАН, Центра детской гематологии, онкологии и иммунологии Минздрава, Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, факультета фундаментальной медицины, Института физико-химической биологии МГУ и Российского национального исследовательского медицинского университета совместно с коллегой из Бостонского университета. Ранее Антон Буздин и его коллеги показали, что многие hsERV проявляют промоторную активность в человеческих тканях, то есть инициируют транскрипцию прилегающих участков ДНК, но такая их деятельность не обязательно является полезной для хозяина.
В новой статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, авторы сообщили о результатах целенаправленного поиска эндогенных ретровирусов hsERV, работающих как энхансеры, то есть участвующих в регуляции каких-то человеческих генов. Из 133 известных на сегодняшний день hsERV только шесть расположены в непосредственной близости от известных генов (на расстоянии до 5000 пар оснований перед сайтом начала транскрипции). Действующие энхансеры обычно (хотя и не всегда) располагаются именно в этой области, поэтому исследователи сосредоточили свои усилия на этих шести hsERV.
Чтобы выявить энхансерную активность, ученые объединяли участки ДНК, содержащие hsERV, с геном люциферазы (фермента, благодаря которому светятся светлячки), а полученные конструкции вставляли в человеческие клетки из нескольких разных клеточных культур. В качестве контроля использовались такие же конструкции, только с удаленными hsERV. Эти опыты позволили сузить круг поиска до трех hsERV, которые, как выяснилось, существенно повышают экспрессию соседнего гена (в данном случае — люциферазы). Энхансерная активность этих трех hsERV проявилась только в одной клеточной культуре (Tera1 - недифференцированный зародышевый рак яичка) из четырех испробованных. Это значит, что активность предполагаемых энхансеров в живом организме, скорее всего, проявляется не повсюду, а лишь в каких-то определенных тканях. Следует подчеркнуть, что проведенные эксперименты не исключают возможности того, что и другие три hsERV тоже имеют энхансерную активность, просто в данных клеточных культурах она не проявилась.
Дальнейшие эксперименты позволили авторам отбросить еще двух кандидатов и сосредоточиться на одном hsERV, который в человеческом геноме располагается перед геном PRODH. Как выяснилось, только у этого hsERV энхансерная активность, выявленная в люциферазных тестах, коррелирует с экспрессией предполагаемого подконтрольного гена (в данном случае — гена PRODH) в клеточных культурах.
У шимпанзе участок ДНК перед геном PRODH отличается от человеческого тем, что в нем отсутствует эндогенный ретровирус. Как выяснилось, человеческий участок, содержащий hsERV, обеспечивает значительно более высокий уровень экспрессии люциферазы в клеточной культуре Tera1 по сравнению с участком шимпанзе.
Все эти результаты говорят о том, что ретровирусная вставка, которую авторы обозначили как hsERVPRODH, привела к повышению экспрессии гена PRODH в каких-то тканях человеческого организма.
Известно, что активность регуляторных участков ДНК, в свою очередь, может регулироваться при помощи метилирования. Дальнейшие эксперименты с трансфицированными клетками подтвердили, что это справедливо и для энхансера hsERVPRODH. Высокий уровень метилирования снижает его способность активировать экспрессию соседнего гена, тогда как низкий уровень метилирования, наоборот, усиливает действие энхансера.
Какова функция гена PRODH и могло ли изменение его активности в результате ретровирусной вставки сыграть какую-то роль в эволюции человека? Судя по всему, могло. Кодируемый этим геном фермент — пролин-дегидрогеназа — участвует в метаболизме аминокислоты пролина. В клетках мозга из пролина синтезируется глутамат — важнейший нейромедиатор. Поэтому активность PRODH теоретически может влиять на баланс нейромедиаторов и, как следствие, на работу мозга. Это подтверждается тем, что некоторые мутации гена PRODH у человека повышают риск развития шизофрении и других неврологических нарушений.
Авторы измерили уровень экспрессии PRODH в образцах человеческих тканей и обнаружили, что активнее всего этот ген работает в мозге. Тогда ученые сравнили между собой образцы разных участков мозга. Максимальная активность PRODH обнаружилась в гиппокампе; высокая активность отмечена также в теменных и затылочных долях коры больших полушарий. Затем был измерен уровень метилирования hsERVPRODH в разных отделах мозга. Эндогенный ретровирус оказался сильно метилирован везде, кроме гиппокампа. Авторы также сравнили уровень экспрессии PRODH в трех отделах мозга (гиппокампе, префронтальной коре и хвостатом ядре) у человека и шимпанзе. Оказалось, что во всех трех отделах PRODH у человека работает активнее, чем у шимпанзе. Наконец, авторы показали, что PRODH экспрессируется в гиппокампе исключительно в нейронах, но не в других клетках мозговой ткани (таких как астроциты и клетки микроглии).
Энхансеры регулируют активность близлежащих генов посредством специальных регуляторных белков — транскрипционных факторов (ТФ), которые прикрепляются к участкам ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов (сайтам связывания ТФ), входящим в состав энхансера. Дополнительные эксперименты позволили установить, что hsERVPRODH содержит два активных сайта связывания важнейшего транскрипционного фактора SOX2. Как и многие другие ключевые белки-регуляторы, SOX2 выполняет в организме множество разных функций. В частности, он регулирует ранние этапы эмбрионального развития. Кроме того, он играет важную роль в развитии центральной нервной системы. В головном мозге максимальная экспрессия SOX2 наблюдается в гиппокампе — как раз там, где роль hsERVPRODH в регуляции активности PRODH, по-видимому, наиболее выражена. Эксперименты подтвердили, что SOX2 действительно прикрепляется к двум сайтам связывания, входящим в состав hsERVPRODH, и это действительно ведет к росту экспрессии PRODH.
Итак, вырисовалась следующая картина. В какой-то момент после разделения эволюционных линий человека и шимпанзе в геном наших предков неподалеку от гена PRODH встроился очередной ретровирус, что поставило активность гена PRODH в зависимость от транскрипционного фактора SOX2. Это привело к росту активности PRODH в разных отделах мозга, в первую очередь в гиппокампе, где экспрессия SOX2 максимальна.
Каким образом всё это повлияло на функционирование мозга, еще предстоит выяснить, но то, что влияние имело место и было полезным — в этом практически нет сомнений, иначе отбор не сохранил бы такое нововведение. Итак, перед нами еще один пример того, как «одомашненный» вирус стал неотъемлемой частью хозяйского генома. Писатели-фантасты, сочинявшие истории о вирусах, контролирующих человеческий мозг, оказались не так уж далеки от истины.
Авторы отмечают, что у многих других человеческих ЭРВ, родственных изученному, имеются те же самые два участка, пригодные для прикрепления SOX2. Судя по тому, что эти участки довольно консервативны — мало менялись в ходе эволюции, — можно предположить, что хотя бы некоторые из них действительно функционируют как сайты связывания SOX2 и это чем-то полезно организму. Можно ожидать, что дальнейшее изучение эндогенных ретровирусов приведет к новым интересным открытиям.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ
