Вирус, встроившийся в геном наших предков, влияет на работу мозга

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 (см.: Belshaw et al., 2004. Long-term reinfection of the human genome by endogenous retroviruses). 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 (см. также enhancer), 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 (см. ссылки в конце заметки).

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 (см. новость: Будут ли расшифрованы генетические основы разума?, «Элементы», 09.10.2006).

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 (см.: Buzdin et al., 2006. At Least 50% of Human-Specific HERV-K (HML-2) Long Terminal Repeats Serve In Vivo as Active Promoters for Host Nonrepetitive DNA Transcription).

В новой статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, авторы сообщили о результатах целенаправленного поиска эндогенные 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 (см. трансфекция). 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) 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 hsERV_PRODH, 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 (см. метилирование ДНК). Дальнейшие эксперименты с трансфицированными клетками подтвердили, что это справедливо и для энхансера hsERV_PRODH. 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 hsERV_PRODH 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 hsERV_PRODH 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 (см. новости Ученые разработали новый метод получения стволовых клеток, «Элементы», 11.11.2008 и Выявлен белок, отвечающий за своевременное включение генов у эмбрионов, «Элементы», 02.09.2013). 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 hsERV_PRODH в регуляции активности PRODH, по-видимому, наиболее выражена. Эксперименты подтвердили, что SOX2 действительно прикрепляется к двум сайтам связывания, входящим в состав hsERV_PRODH, 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: Maria Suntsova, Elena V. Gogvadze, Sergey Salozhin, Nurshat Gaifullin, Fedor Eroshkin, Sergey E. Dmitriev, Natalia Martynova, Kirill Kulikov, Galina Malakhova, Gulnur Tukhbatova, Alexey P. Bolshakov, Dmitry Ghilarov, Andrew Garazha, Alexander Aliper, Charles R. Cantor, Yuri Solokhin, Sergey Roumiantsev, Pavel Balaban, Alex Zhavoronkov, and Anton Buzdin. Human-specific endogenous retroviral insert serves as an enhancer for the schizophrenia-linked gene PRODH // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Published online before print November 11, 2013.