В то время как мир пытается контролировать растущую пандемию коронавируса COVID-19, новое исследование в области структурной и молекулярной биологии природы показывает, что вирусы также играют ключевую эволюционную роль в способности млекопитающих воспроизводиться и выживать.
Ученые из Детского перинатального института Цинциннати и Университета Азабу в Японии получили свои данные, изучая лабораторных мышей и клетки зародышевой линии человека.
В двух отдельных статьях, опубликованных в одном и том же выпуске журнала, раскрываются два различных и фундаментальных процесса, лежащих в основе транскриптомов зародышевой линии. Они также показывают, что видоспецифические транскриптомы точно настраиваются эндогенными ретровирусами в зародышевой линии млекопитающих
Транскриптомы зародышевой линии включают всю информационную РНК в клетках зародышевой линии, которые содержат либо мужскую, либо женскую половину хромосом, передаваемых в качестве наследуемого генетического материала потомству при спаривании видов. Это означает, что транскриптомы зародышевой линии определяют уникальный характер спермы и яйцеклетки для подготовки к следующему поколению жизни.
Несмотря на то, что исследования являются отдельными, они дополняют друг друга, по словам Сатоши Намекава, доктора философии, главного исследователя обеих статей и ученого из отдела репродуктивных наук в Детской больнице Цинциннати.
В одной статье, Maezawa and Sakashita et al., исследуются суперэнхансеры, которые являются надежными и эволюционно законсервированными регуляторными элементами генов в геноме. - сказал Намекава.
Второе исследование, Sakashita et al., включает эндогенные ретровирусы, которые действуют как еще один тип энхансеров - регуляторных элементов генов в геноме - для управления экспрессией недавно эволюционировавших генов. Это помогает точно настроить видоспецифичные транскриптомы в млекопитающие, такие как люди, мыши и т. д.
Клиническая значимость
Вместе исследования имеют значительные потенциальные последствия для клинической практики, по словам авторов исследования, в число которых входят представители междисциплинарной группы специалистов по биологии развития, биоинформатики и иммунобиологов. Нарушение регуляции экспрессии генов при формировании мужских сперматозоидов тесно связано с мужским бесплодием и врожденными дефектами.
Вирусы, особенно эндогенные ретровирусы (ERV), которые являются неотъемлемой частью биологии млекопитающих, могут существенно влиять на экспрессию генов, сообщают исследователи. ERV - это молекулярные остатки ретровирусов, которые заражают организм и со временем включаются в геном.
«Из нашего исследования мы узнали, что в целом вирусы играют важную роль в развитии эволюции», - пояснил Намекава. «В долгосрочной перспективе вирусы оказывают положительное влияние на наш геном и эволюцию формы».
Переключатель Super-Enhancer
Исследование, проведенное Маэдзавой и Сакашитой и др., объединило биологическое тестирование моделей мышей и клеток зародышевой линии человека с вычислительной биологией, включая полногеномное профилирование регуляторных элементов генов в клетках зародышевой линии.
Эти тесты показали, что полногеномная реорганизация суперэнхансеров вызывает всплески экспрессии генов зародышевой линии после того, как зародышевые клетки вступают в мейоз, специализированную форму клеточного деления, которая производит гаплоидный геном зародышевых клеток.
Исследование также демонстрирует молекулярный процесс, посредством которого происходит переключение суперэнхансеров в зародышевых клетках. Суперэнхансеры регулируются двумя молекулами, которые действуют как переключатели, контролирующие всплеск генов, - фактором транскрипции A-MYB и SCML2, критическим белком сайленсинга в формировании сперматозоидов.
TE и прыгающие гены
Эндогенные ретровирусы представляют собой группу мобильных генетических элементов (МЭ), на долю которых приходится примерно 40-50 процентов данного генома млекопитающих. Также называемые «прыгающими генами», TE долгое время считались генетическими угрозами, потому что транспозиция может быть вредной, если, например, процесс разрушает гены, кодирующие белок..
Основываясь на выводах 1950-х годов о том, что TE могут функционировать как генетические регуляторные элементы, Намекава и его сотрудники (Сакашита и др.) получили данные, показывающие, что механизмы, управляемые ERV, помогают точно настроить видоспецифичные транскриптомы.
Об исследовании
Финансовая поддержка исследования ERV частично поступила от: Национальных институтов здравоохранения (R01 GM122776, DP2 GM119134); постдокторская стипендия Фонда Лалор; грант от Отдела исследовательских услуг Университета Азабу; Программа, поддерживаемая Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии (MEXT) для проекта брендинга исследований частных университетов (2016-2019); субсидия для начала исследовательской деятельности (19K21196); Поощрительный грант для исследований Мемориального фонда Уэхары; Альберт Дж. Стипендия Райана и совместный грант Центра исследования недоношенных детей March of Dimes (22-FY14-470).
Поддержка исследования супер-энхансеров была частично получена за счет гранта на исследовательский проект Отдела исследовательских услуг Университета Азабу; грант Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии и программы (MEXT) для проекта брендинга исследований частных университетов (2016-2019); грант в поддержку начала исследовательской деятельности (19K21196) от Takeda Science Foundation (2019 г.); Поощрительный грант Фонда Мемориала Уэхары (2018 г.); постдокторская стипендия Фонда Лалор; стипендия Альберта Дж. Райана; и премия стипендиата Цинциннати для детей; Гранты CpG и Национальный институт здравоохранения (DP2 GM119134, R01GM122776 и GM098605)