Cell：逆轉錄病毒在大腦進化中發揮了關鍵作用

來源：作者：人氣：-發表時間：2024-02-21 10:45:00【大中小】

摘要：研究小組發現，在哺乳動物、兩棲動物和魚類中，逆轉錄病毒衍生的遺傳元件或“逆轉錄轉座子”對髓磷脂的產生至關重要。

研究人員在2月15日的《細胞》(Cell)雜志上報告說，髓鞘可能要感謝古老的病毒，進而感謝我們龐大而復雜的大腦。研究小組發現，在哺乳動物、兩棲動物和魚類中，逆轉錄病毒衍生的遺傳元件或“逆轉錄轉座子”對髓磷脂的產生至關重要。他們將這一基因序列命名為“retrotransposon”，它很可能是古代病毒感染的結果，對哺乳動物、兩棲動物和魚類的retrotransposon的比較表明，在這些群體中，逆轉錄病毒感染和基因組入侵事件是分開發生的。

圖1 逆轉錄病毒通過逆轉錄轉座子RNA介導的髓鞘基因表達控制與脊椎動物髓鞘形成的聯系

“逆轉錄病毒是脊椎動物進化起飛所必需的，”資深作者、劍橋科學研究所阿爾托斯實驗室的神經科學家羅賓·富蘭克林說。“如果我們沒有逆轉錄病毒將它們的序列粘附到脊椎動物的基因組中，那么髓鞘形成就不會發生，如果沒有髓鞘形成，我們所知道的脊椎動物的整個多樣性就永遠不會發生。”

髓鞘是一種復雜的脂肪組織，包裹著脊椎動物的神經軸突。它能實現快速的脈沖傳導，而不需要增加軸突直徑，這意味著神經可以更緊密地擠在一起。它還為神經提供代謝支持，這意味著神經可以更長。髓磷脂首次出現在生命之樹上，大約與頜骨同時出現，它在脊椎動物進化中的重要性早就被認識到，但直到現在，還不清楚是什么分子機制觸發了它的出現。

當研究人員檢查中樞神經系統中產生髓磷脂的少突膠質細胞所利用的基因網絡時，他們注意到后髓磷脂在髓磷脂產生中的作用。具體來說，該團隊正在研究包括反轉錄轉座子在內的非編碼區域在這些基因網絡中的作用——這在髓磷脂生物學的背景下還沒有被探索過。

“逆轉錄轉座子約占我們基因組的40%，但我們對它們如何幫助動物在進化過程中獲得特定特征一無所知，”第一作者、劍橋科學研究所阿爾托斯實驗室的計算生物學家塔內·高什說。“我們的動機是了解這些分子是如何幫助進化過程的，特別是在髓鞘形成的背景下。”

在嚙齒類動物中，研究人員發現retro髓磷脂的RNA轉錄調節髓磷脂堿性蛋白的表達，髓磷脂堿性蛋白是髓磷脂的關鍵成分之一。當實驗抑制少突膠質細胞和少突膠質細胞祖細胞(衍生少突膠質細胞的干細胞)中的后髓磷脂時，細胞不再產生髓磷脂堿性蛋白。

為了檢驗后髓磷脂是否存在于其他脊椎動物物種中，研究小組在有頜脊椎動物、無頜脊椎動物和幾種無脊椎動物的基因組中尋找了類似的序列。他們在所有其他種類的有頜脊椎動物(鳥類、魚類、爬行動物和兩棲動物)中發現了類似的序列，但在無頜脊椎動物或無脊椎動物中沒有發現類似的序列。

圖2 逆轉錄轉座子在OPC和OL中的全基因組表達

“有一種進化的驅動力使我們的軸突的脈沖傳導更快，因為更快的脈沖傳導意味著你可以更快地抓住東西或逃離東西。”

接下來，研究人員想知道逆轉錄髓磷脂是否曾經被整合到所有有頜脊椎動物的祖先體內，或者在不同的分支中是否有單獨的逆轉錄病毒入侵。為了回答這些問題，他們從22種頜骨脊椎動物中構建了一個系統發育樹，并比較了它們的后髓鞘序列。分析結果顯示，retrotransposon序列在物種內部比物種之間更相似，這表明retrotransposon是通過趨同進化過程多次獲得的。

研究小組還發現，retrotransposon在魚類和兩棲動物的髓鞘形成中起著功能性作用。當他們通過實驗破壞斑馬魚和青蛙受精卵中的后髓磷脂基因序列時，他們發現發育中的魚和蝌蚪產生的髓磷脂明顯少于平時。

研究人員說，這項研究強調了基因組中非編碼區域對生理和進化的重要性。“我們的發現為探索逆轉錄病毒如何更普遍地參與指導進化開辟了一條新的研究途徑。”

參考資料

[1] A retroviral link to vertebrate myelination through retrotransposon-RNA-mediated control of myelin gene expression