Всеки човек започва от древен вирус. Как LTR5Hs помага за оформянето на ембрионите?

Вашият геном съдържа кода на древни вируси – тези последователности заемат 8% от вашата ДНК. Преди се смяташе, че те са безполезни еволюционни остатъци. Ново изследване доказва, че един от тези вирусни фрагменти, който имат само хората, е необходим за най-ранния етап от живота.

Какво ще се случи, ако „изключите“ този вирусен код?

Учените са изследвали семейството вирусни фрагменти HERVK LTR5Hs. Тези последователности са активни в ембрионите през първите дни от съществуването им, когато се формират основите на организма. Използвайки технологията CRISPRi, изследователите потискат активността на близо 700 копия на LTR5Hs в човешки стволови клетки. След това те се опитали да създадат от клетките бластоиди, които представляват триизмерни модели, възпроизвеждащи развитието на ембриона, преди той да бъде прикрепен.

Оказва се, че клетките без активни LTR5Hs не създават бластоиди. Вместо това се появяват безформени групи от клетки, които след това умират. Ако активността на вируса била частично потисната, се получавали дефектни, нежизнеспособни структури. Стана ясно, че тези вирусни последователности са много важни.

От вируса до гена: как работи този механизъм?

Учените установиха, че LTR5H работят като усилватели. Усилвателят е участък от ДНК, който не кодира самия протеин, но силно повишава активността на съседните гени. Анализът потвърждава, че изключването на LTR5H намалява активността на много гени, които се намират в съседство с тях. Особено се откроява един ген – ZNF729. Оказва се, че един от вирусните LTR5Hs елементи, наличен само при хората, се намира в близост до този ген и действа като негов основен активатор.

Това беше основното предположение. За да го проверят, учените провеждат още един експеримент. Те не изключили всичките 700 копия на LTR5Hs. Вместо това премахнали само един фрагмент от генома – този, който се намирал близо до гена ZNF729. Ефектът бил същият. Клетките отново не успели да образуват здрави бластоиди. Това е пряко доказателство: единственият вирусен фрагмент, характерен за нашия вид, контролира гена, без който ранното развитие на човека е невъзможно.

Неочакваният контролер: за какво служи ZNF729?

Вирусният усилвател активира гена ZNF729. Самият ген кодира протеин, който е транскрипционен фактор. Тази молекула може да се свързва с ДНК и да контролира работата на стотици други гени. Учените откриват още една подробност. ZNF729 се свързва със стартовите места на „гените-домакини“. Те представляват основен набор от инструкции за основните клетъчни функции: делене, метаболизъм, оцеляване. Обикновено тези гени се контролират от стари механизми, които са едни и същи при много видове.

Но в човешките клетки ZNF729 се е присъединил към тази система. Той е поел функцията на един от основните контрольори на клетъчния растеж. Забележително е, че ZNF729 по-често активира гените, въпреки че в структурата му обикновено има протеини, които потискат работата им.

Еволюционно откритие: как сме се станали зависими от вируса

Това изследване описва един последователен и ефективен еволюционен процес:

• Събитие: древен ретровирус се вгражда в ДНК на предците на човека.
• Адаптация: Един от неговите фрагменти, LTR5Hs, се оказва в близост до гена ZNF729. Клетъчните системи започват да го използват като мощен усилвател.
• Резултат: Генът ZNF729, който преди това е бил неактивен на този етап, е бил силно активиран в ранния човешки ембрион.
• Зависимост: Тази нова система за контрол се е оказала много ефективна и е вградена в основите на клетъчния живот. С течение на времето старите начини за контрол на клетъчното делене може да са отслабнали. Системата е станала зависима от вирусния елемент: сега тя не функционира без него.

И така събитие, започнало като случайна генетична мутация от стара инфекция, се превръща в необходима част от програмата за развитие на човека. Геномът ни не е съвършен и с течение на времето претърпява промени. И така се случва, че най-важните допълнения към него се правят от неочаквани участници.