Каждый человек начинается с древнего вируса. Как LTR5Hs помогает формировать эмбрионы?

Ваш геном содержит код древних вирусов, эти последовательности занимают 8% всей ДНК. Раньше считалось что это бесполезные остатки эволюции. Новое исследование доказывает, что один из таких вирусных фрагментов, который есть только у человека, нужен для самого раннего этапа жизни.

Что будет, если «выключить» вирусный код?

Ученые изучали семейство вирусных фрагментов HERVK LTR5Hs. Эти последовательности активны в эмбрионах в первые дни их существования, когда формируются основы организма. С помощью технологии CRISPRi исследователи подавили активность почти 700 копий LTR5Hs в человеческих стволовых клетках. После этого они попытались создать из клеток бластоиды — это трехмерные модели, повторяющие развитие эмбриона до его прикрепления.

Оказалось, что клетки без активных LTR5Hs не создавали бластоиды. Вместо них появлялись бесформенные группы клеток, которые затем погибали. Если активность вируса подавляли частично, получались дефектные, нежизнеспособные структуры. Стало понятно, что эти вирусные последовательности очень важны.

От вируса к гену: как устроен этот механизм?

Ученые выяснили, что LTR5Hs работают как энхансеры. Энхансер — это участок ДНК, который сам не кодирует белок, но сильно увеличивает активность соседних генов. Анализ подтвердил, что выключение LTR5Hs снижало активность многих генов рядом с ними. Один ген выделялся особенно — ZNF729. Оказалось, что один из вирусных элементов LTR5Hs, имеющийся только у людей, находится возле этого гена и действует как его главный активатор.

Это было основное предположение. Для его проверки ученые поставили другой опыт. Они не стали выключать все 700 копий LTR5Hs. Вместо этого они убрали из генома лишь один фрагмент — тот, что был расположен возле гена ZNF729. Эффект получился таким же. Клетки опять не смогли сформировать здоровые бластоиды. Это прямое доказательство: единственный вирусный фрагмент, свойственный нашему виду, управляет геном, без которого раннее развитие человека невозможно.

Неожиданный контроллер: для чего нужен ZNF729?

Вирусный энхансер активирует ген ZNF729. Сам ген кодирует белок, который является транскрипционным фактором. Эта молекула может связываться с ДНК и управлять работой сотен других генов. Ученые обнаружили еще одну деталь. ZNF729 связывается со стартовыми участками «генов домашнего хозяйства». Это базовый набор инструкций для основных клеточных функций: деления, обмена веществ, выживания. Обычно такие гены управляются старыми механизмами, одинаковыми для многих видов.

Но в клетках человека в эту систему включился ZNF729. Он принял на себя функцию одного из главных контроллеров клеточного роста. Примечательно, что ZNF729 чаще активирует гены, хотя его строение обычно имеют белки, подавляющие их работу.

Эволюционная находка: как мы стали зависимы от вируса

Это исследование описывает последовательный и эффективный эволюционный процесс:

1. Событие: Древний ретровирус встроился в ДНК предка человека.
2. Приспособление: Один из его фрагментов, LTR5Hs, оказался возле гена ZNF729. Клеточные системы начали его применять как мощный энхансер.
3. Результат: Ген ZNF729, который раньше был малоактивен на этой стадии, получил сильную активацию в раннем эмбрионе человека.
4. Зависимость: Эта новая система управления оказалась очень эффективной и встроилась в основы клеточной жизни. Со временем старые способы контроля клеточного деления могли ослабнуть. Система стала зависимой от вирусного элемента: теперь без него она не функционирует.

Событие, которое началось как случайная генетическая мутация от старой инфекции, стало необходимой частью программы развития человека. Наш геном не идеален, и со временем подвергается изменениям. А тут получилось, что самые важные дополнения в него вносят неожиданные участники.