Starożytne wirusy, które w zamierzchłej przeszłości infekowały kręgowce, mogły odegrać kluczową rolę w ewolucji naszych zaawansowanych mózgów. Do takiego wniosku doszedł zespół naukowców badający pochodzenie mieliny – izolacyjnej warstwy, która tworzy się wokół nerwów i umożliwia szybsze przewodzenie impulsów elektrycznych.
Osłonkę mielinową zawdzięczamy starożytnym wirusom – przekonują naukowcy z Altos Labs - Cambridge Institute of Science. Niedawne badania, które ukazały się na łamach pisma „Cell” (DOI: 10.1016/j.cell.2024.01.011) wykazały, że pradawna infekcja wirusowa mogła zapewnić kręgowcom mielinę.
Mielina to złożona tkanka tłuszczowa, która osłania aksony nerwów kręgowców. Umożliwia szybkie przewodzenie impulsów elektrycznych bez konieczności zwiększania średnicy aksonów, co oznacza, że nerwy mogą być gęsto upakowane blisko siebie. Zapewnia także wsparcie metaboliczne nerwom, sprawiając, że mogą one być dłuższe.
- Do rozpoczęcia ewolucji kręgowców potrzebne były retrowirusy – mówi neurobiolog Robin Franklin z Altos Labs - Cambridge Institute of Science, jeden z autorów publikacji. - Gdybyśmy nie mieli retrowirusów wstawiających swoje sekwencje do genomu kręgowców, mielinizacja nie miałaby miejsca, a bez mielinizacji cała różnorodność kręgowców, jaką znamy, nigdy by nie zaistniała - dodaje.
Pojawienie się otoczki mielinowej jest kluczowe w ewolucji kręgowców. Mielina pojawiła się po raz pierwszy na drzewie życia mniej więcej w tym samym czasie co szczęki (około 360 milionów lat temu w okresie dewonu), ale do tej pory nie było jasne, jakie mechanizmy molekularne doprowadziły do jej powstania. Na trop naprowadziły naukowców oligodendrocyty, komórki gleju wytwarzające osłonkę mielinową.
Uczeni odkryli, że element genetyczny pochodzący od retrowirusa, zwany „retrotranspozonem”, jest niezbędny do produkcji mieliny u ssaków, płazów i ryb. Sekwencja genu, którą badacze nazwali „retromieliną”, jest prawdopodobnie wynikiem pradawnej infekcji wirusowej.
- Retrotranspozony stanowią około 40 proc. naszych genomów, ale nic nie wiadomo na temat tego, w jaki sposób mogły pomóc organizmom w nabyciu określonych cech w trakcie ewolucji – mówi Tanay Ghosh z Altos Labs - Cambridge Institute of Science, pierwszy autor publikacji. - Naszą motywacją było ustalenie, w jaki sposób te cząsteczki wspomagają procesy ewolucyjne, szczególnie w kontekście mielinizacji – dodaje.
Transpozony określane są mianem „skaczących genów” lub „wędrujących genów”. To sekwencje DNA, które są w stanie poruszać się po genomie czy też przemieszczać się na inną pozycję w genomie tej samej komórki, prowadząc do zmian w sposobie wykorzystania genów. Choć nie wszystkie są aktywne, to są postrzegane jako „surowce” dla procesów ewolucyjnych. Są bardzo zróżnicowane. Niektóre działają przez wycinanie siebie z DNA i wklejanie się w precyzyjnie wybrane miejsce genomu. To operacja, która przypomina w edytorze tekstu polecenia wytnij i wklej (CTRL+X i CTRL+V).
Porównując retromielinę u ssaków, płazów i ryb naukowcy dostrzegli, że infekcja retrowirusowa i zmiany genomu występowały oddzielnie w każdej z tych grup. Odkryli, że u gryzoni retromielina reguluje ekspresję zasadowego białka, jednego z kluczowych składników mieliny. Kiedy w eksperymentach hamowali retromielinę w oligodendrocytach i komórkach progenitorowych oligodendrocytów, komórki te nie były już w stanie wytwarzać zasadowego białka mieliny.
W kolejnym kroku uczeni sprawdzili, czy retromielina występuje też u innych gatunków kręgowców. Zidentyfikowali analogiczne sekwencje u wszystkich gromad szczękowców, czyli u ptaków, ryb, gadów i płazów, ale nie znaleźli podobnych sekwencji u kręgowców bezszczękowych i u bezkręgowców.
- Istniało ewolucyjne dążenie do przyspieszenia przewodzenia impulsów w naszych aksonach, ponieważ szybsze przewodzenie impulsów oznacza, że można szybciej działać, szybciej łapać zdobycz lub uciekać przed drapieżnikiem – mówi Franklin.
Badacze skonstruowali drzewo filogenetyczne złożone z 22 gatunków szczękowców i porównali ich sekwencje retromieliny. Analiza wykazała, że sekwencje te były bardziej podobne w obrębie jednego gatunku niż między gatunkami, co sugeruje, że retromielina została nabyta wielokrotnie w procesie zbieżnej ewolucji.
Badacze wykazali również, że retromielina odgrywa funkcjonalną rolę w mielinizacji u ryb i płazów. Kiedy eksperymentalnie zablokowali sekwencję retromieliny w zapłodnionych jajach danio pręgowanego i żab, odkryli, że rozwijające się ryby i kijanki wytwarzały znacznie mniej mieliny niż zwykle.
Badanie podkreśla znaczenie niekodujących regionów genomu dla fizjologii i ewolucji – twierdzą naukowcy. - Nasze odkrycia otwierają nowy kierunek pozwalający zbadać, w jaki sposób retrowirusy są zaangażowane w kierowanie ewolucją – mówi Ghosh.
Źródło: Cell Press, Science Alert, fot. Flickr/ Dj/ CC BY-SA
