Cell：逆轉(zhuǎn)錄病毒在大腦進(jìn)化中發(fā)揮了關(guān)鍵作用

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2024-02-21 10:45:00【大中小】

摘要：研究小組發(fā)現(xiàn)，在哺乳動(dòng)物、兩棲動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)中，逆轉(zhuǎn)錄病毒衍生的遺傳元件或“逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子”對(duì)髓磷脂的產(chǎn)生至關(guān)重要。

研究人員在2月15日的《細(xì)胞》(Cell)雜志上報(bào)告說(shuō)，髓鞘可能要感謝古老的病毒，進(jìn)而感謝我們龐大而復(fù)雜的大腦。研究小組發(fā)現(xiàn)，在哺乳動(dòng)物、兩棲動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)中，逆轉(zhuǎn)錄病毒衍生的遺傳元件或“逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子”對(duì)髓磷脂的產(chǎn)生至關(guān)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(jié)果，對(duì)哺乳動(dòng)物、兩棲動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)的retrotransposon的比較表明，在這些群體中，逆轉(zhuǎn)錄病毒感染和基因組入侵事件是分開(kāi)發(fā)生的。

圖1 逆轉(zhuǎn)錄病毒通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子RNA介導(dǎo)的髓鞘基因表達(dá)控制與脊椎動(dòng)物髓鞘形成的聯(lián)系

“逆轉(zhuǎn)錄病毒是脊椎動(dòng)物進(jìn)化起飛所必需的，”資深作者、劍橋科學(xué)研究所阿爾托斯實(shí)驗(yàn)室的神經(jīng)科學(xué)家羅賓·富蘭克林說(shuō)。“如果我們沒(méi)有逆轉(zhuǎn)錄病毒將它們的序列粘附到脊椎動(dòng)物的基因組中，那么髓鞘形成就不會(huì)發(fā)生，如果沒(méi)有髓鞘形成，我們所知道的脊椎動(dòng)物的整個(gè)多樣性就永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。”

髓鞘是一種復(fù)雜的脂肪組織，包裹著脊椎動(dòng)物的神經(jīng)軸突。它能實(shí)現(xiàn)快速的脈沖傳導(dǎo)，而不需要增加軸突直徑，這意味著神經(jīng)可以更緊密地?cái)D在一起。它還為神經(jīng)提供代謝支持，這意味著神經(jīng)可以更長(zhǎng)。髓磷脂首次出現(xiàn)在生命之樹(shù)上，大約與頜骨同時(shí)出現(xiàn)，它在脊椎動(dòng)物進(jìn)化中的重要性早就被認(rèn)識(shí)到，但直到現(xiàn)在，還不清楚是什么分子機(jī)制觸發(fā)了它的出現(xiàn)。

當(dāng)研究人員檢查中樞神經(jīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生髓磷脂的少突膠質(zhì)細(xì)胞所利用的基因網(wǎng)絡(luò)時(shí)，他們注意到后髓磷脂在髓磷脂產(chǎn)生中的作用。具體來(lái)說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)正在研究包括反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在內(nèi)的非編碼區(qū)域在這些基因網(wǎng)絡(luò)中的作用——這在髓磷脂生物學(xué)的背景下還沒(méi)有被探索過(guò)。

“逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子約占我們基因組的40%，但我們對(duì)它們?nèi)绾螏椭鷦?dòng)物在進(jìn)化過(guò)程中獲得特定特征一無(wú)所知，”第一作者、劍橋科學(xué)研究所阿爾托斯實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算生物學(xué)家塔內(nèi)·高什說(shuō)。“我們的動(dòng)機(jī)是了解這些分子是如何幫助進(jìn)化過(guò)程的，特別是在髓鞘形成的背景下。”

在嚙齒類(lèi)動(dòng)物中，研究人員發(fā)現(xiàn)retro髓磷脂的RNA轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)髓磷脂堿性蛋白的表達(dá)，髓磷脂堿性蛋白是髓磷脂的關(guān)鍵成分之一。當(dāng)實(shí)驗(yàn)抑制少突膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞(衍生少突膠質(zhì)細(xì)胞的干細(xì)胞)中的后髓磷脂時(shí)，細(xì)胞不再產(chǎn)生髓磷脂堿性蛋白。

為了檢驗(yàn)后髓磷脂是否存在于其他脊椎動(dòng)物物種中，研究小組在有頜脊椎動(dòng)物、無(wú)頜脊椎動(dòng)物和幾種無(wú)脊椎動(dòng)物的基因組中尋找了類(lèi)似的序列。他們?cè)谒衅渌N類(lèi)的有頜脊椎動(dòng)物(鳥(niǎo)類(lèi)、魚(yú)類(lèi)、爬行動(dòng)物和兩棲動(dòng)物)中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的序列，但在無(wú)頜脊椎動(dòng)物或無(wú)脊椎動(dòng)物中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的序列。

圖2 逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在OPC和OL中的全基因組表達(dá)

“有一種進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力使我們的軸突的脈沖傳導(dǎo)更快，因?yàn)楦斓拿}沖傳導(dǎo)意味著你可以更快地抓住東西或逃離東西。”

接下來(lái)，研究人員想知道逆轉(zhuǎn)錄髓磷脂是否曾經(jīng)被整合到所有有頜脊椎動(dòng)物的祖先體內(nèi)，或者在不同的分支中是否有單獨(dú)的逆轉(zhuǎn)錄病毒入侵。為了回答這些問(wèn)題，他們從22種頜骨脊椎動(dòng)物中構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，并比較了它們的后髓鞘序列。分析結(jié)果顯示，retrotransposon序列在物種內(nèi)部比物種之間更相似，這表明retrotransposon是通過(guò)趨同進(jìn)化過(guò)程多次獲得的。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，retrotransposon在魚(yú)類(lèi)和兩棲動(dòng)物的髓鞘形成中起著功能性作用。當(dāng)他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)破壞斑馬魚(yú)和青蛙受精卵中的后髓磷脂基因序列時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)發(fā)育中的魚(yú)和蝌蚪產(chǎn)生的髓磷脂明顯少于平時(shí)。

研究人員說(shuō)，這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了基因組中非編碼區(qū)域?qū)ι砗瓦M(jìn)化的重要性。“我們的發(fā)現(xiàn)為探索逆轉(zhuǎn)錄病毒如何更普遍地參與指導(dǎo)進(jìn)化開(kāi)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