Эволюционный взрыв мозга связан с древней ретровирусной инфекцией

Фото из открытых источников
Новое исследование раскрыло тайну, которая является ключом к пониманию хода эволюции человека и животных. Команда генетических исследователей из Altos Labs Кембриджского института науки в Великобритании объясняет, как заражение невероятно древней формой ретровируса дало толчок процессу эволюции животных.
 
Когда ретровирусы заражают организм, они вторгаются в клеточную ДНК этого организма и внедряют в нее свой собственный генетический материал. Тогда геном организма-хозяина может начать функционировать по-другому, что, возможно, приведет к тому, что этот организм и его потомство приобретут некоторые совершенно новые характеристики.
 
В исследовании, опубликованном в журнале Cell, ученые сообщили об открытии участка ДНК в клетках человека и других позвоночных (животных с позвоночником или позвоночником), который помогает стимулировать выработку миелина — вещества, концентрируемого в центральной нервной системе, которая тесно связана с эволюцией сложных умственных и физических качеств. Ученым удалось продемонстрировать, что этот участок ДНК произошел от ретровируса и что он уже давно вошел в коллективные генетические пулы млекопитающих, амфибий и рыб.
 
«Клетки заболели, и они подумали: «Мы можем использовать эту последовательность в своих целях», — так описал это монументальное достижение соавтор исследования Танай Гош, компьютерный биолог из Alto Labs — Кембриджского института науки. 
 
В данном случае целью было активировать ранее существовавшие участки ДНК, кодирующие выработку миелина. Эти последовательности ДНК развились у предков современных млекопитающих, амфибий и рыб незадолго до появления ретровируса, выживая в полностью спящем или неактивном состоянии, ожидая активации. А когда возникли древние ретровирусные инфекции, млекопитающие, земноводные и рыбы внезапно развили способность производить миелин.
 
Влияние миелина на центральную нервную систему позвоночных было глубоким. Это позволило распространиться ошеломляющему разнообразию видов животных, которые становились все более быстрыми, ловкими и умными и подходили для занятия разных ниш в невероятно сложной взаимосвязанной цепочке хищников и жертв.
 
Считается, что миелин впервые был произведен группой видов рыб, известных как плакодермы, которые жили на Земле примерно 425 миллионов лет назад, в силурийский период палеозойской эры. С тех скромных начинаний производство миелина в конечном итоге стало стандартной особенностью позвоночных, что стимулировало эволюцию бесчисленными способами.
 
Ученые обнаружили Ретромиелин, исследуя характеристики олигодендроцитов — клеток, которым поручено вырабатывать миелин в центральной нервной системе. Исследуя его цель, они разработали эксперименты, в которых последовательность ДНК RetroMyelin ингибировалась или прекращала свое действие, и когда это было сделано, олигодендроциты немедленно теряли способность производить миелин.
 
После того, как им удалось подтвердить, что RetroMyelin представляет собой ретровирусный материал, они начали искать его признаки в геномах различных животных. Они обнаружили, что эта последовательность ДНК является общей для всех и, несомненно, связана с выработкой миелина у всех позвоночных.
 
Миелин — чрезвычайно полезное изолирующее вещество. Миелин, состоящий из смеси белков и жирных кислот, образует оболочку или покровный слой, который защищает все части нервной системы, включая головной и спинной мозг. Помимо обеспечения дополнительной защиты, миелиновая оболочка также действует как проводник электричества, заставляя электрические сигналы, вырабатываемые нервной системой, быстрее и эффективнее перемещаться между нервными клетками.
 
До появления ретровирусной инфекции, стимулировавшей выработку миелина, возможности нервной системы млекопитающих были ограничены. Но добавление защитного миелинового покрытия сделало возможным появление гораздо более сложных сетей нейронов или нервных клеток, что со временем позволило развить более развитые физические и умственные способности. Примечательно, что это также позволило эволюционировать совершенно новым видам, создав гораздо более сложный и разнообразный животный мир, чем это было бы возможно в противном случае. 
 
«Ретровирусы были необходимы для развития эволюции позвоночных», — заявил старший автор исследования Робин Франклин из Кембриджского института науки. «Если бы у нас не было ретровирусов, вживляющих свои последовательности в геном позвоночных, то миелинизации не произошло бы, а без миелинизации всего разнообразия позвоночных, каким мы его знаем, никогда бы не произошло».
 
Ретровирусы представляют собой особый вид вирусных агентов. Когда они заражают клетки животных, они вставляют свой генетический материал в геномы этих клеток, создавая новые цепи ДНК, которые будут интегрироваться с существующими последовательностями ДНК. У существа, зараженного ретровирусом, в ДНК произойдут необратимые изменения, которые теперь будут включать в себя участки, привнесенные извне.
 
К счастью, клетки позвоночных (животных с позвоночником) прочны, а это означает, что они обычно могут справиться с добавленной ДНК, не испытывая негативных последствий для здоровья или функционирования. Ретровирусная ДНК может нанести вред здоровью человека или животного, но в большинстве случаев ее влияние будет минимальным.
 
Однако бывают случаи, когда вновь приобретенный генетический материал оказывает благотворное влияние на функционирование клеток и организмов, в которых они находятся. Вставка ретровирусной ДНК, которая запускала выработку миелина, была одним из таких случаев, и в данном случае результат был не просто положительным, а преобразующим.
 
Ретровирусы первоначально внедряют свой генетический материал в отдельных позвоночных. Но в конечном итоге изменения могут распространиться на весь генофонд вида в результате скрещивания «зараженных» представителей вида с другими представителями этого вида и производства потомства, обладающего ретровирусным генетическим материалом. Если изменения, вызванные ретровирусной ДНК, будут полезны, естественный отбор обеспечит, чтобы они стали более распространенными в течение миллионов лет (или, возможно, быстрее, если преимущества для выживания значительны).
 
Именно это произошло с RetroMyelin, который, вероятно, вошел в генофонды млекопитающих, амфибий и рыб в разные моменты между 425 и 200 миллионами лет назад (первые млекопитающие появились на Земле за несколько миллионов лет до последней даты).
 
«Ретротранспозоны [участки ретровирусной ДНК] составляют около 40% наших геномов», — отметил Танай Гош, подтвердив, что ретровирусная инфекция оказала большое влияние на эволюцию человека. Комментируя новое исследование своей команды, он заявил, что «нашей мотивацией было узнать, как эти молекулы помогают эволюционным процессам, особенно в контексте миелинизации».
 
Следует отметить, что ретровирусная инфекция встречается и сегодня, а это означает, что в будущем цифра в 40% может вырасти еще выше. Добавление большего количества ДНК посредством этого поразительного механизма может привести к тому, что процесс человеческой эволюции будет продолжаться бесконечно, и к чему это может в конечном итоге привести наш вид, неизвестно и непостижимо.