Når verden kæmper for at kontrollere den voksende COVID-19 coronavirus-pandemi, viser ny forskning i Nature Structural & Molecular Biology, at vira også spiller en evolutionær nøglerolle i pattedyrs evne til at reproducere og overleve.
Forskere fra Cincinnati Children's Perinatal Institute og ved Azabu University i Japan indhentede deres data ved at studere laboratoriemus og menneskelige kønsceller.
I to separate artikler, der vises i samme udgave af tidsskriftet, afslører de to forskellige og fundamentale processer, der ligger til grund for kimlinjetranskriptomer. De viser også, at artsspecifikke transkriptomer finjusteres af endogene retrovira i pattedyrets kimlinje
Kimlinjetranskriptomer inkluderer alt budbringer-RNA i kimcelleceller, som indeholder enten den mandlige eller kvindelige halvdel af kromosomer, der overføres som nedarvet genetisk materiale til afkom, når arter parrer sig. Dette betyder, at kimlinjetranskriptomer definerer sæd- og ægges unikke karakter for at forberede sig på den næste generation af livet.
Selvom undersøgelserne er adskilte, supplerer de hinanden, ifølge Satoshi Namekawa, PhD, hovedforsker på begge artikler og en videnskabsmand i afdelingen for reproduktiv videnskab ved Cincinnati Children's.
"Et papir, Maezawa og Sakashita et al., udforsker superforstærkere, som er robuste og evolutionært bevarede genregulerende elementer i genomet. De giver næring til et stramt reguleret udbrud af essentielle kimlinjegener, efterhånden som sædceller begynder at dannes, " sagde Namekawa.
"Den anden undersøgelse, Sakashita et al., involverer endogene retrovira, der fungerer som en anden type forstærker - genregulerende elementer i genomet - for at drive ekspression af nyudviklede gener. Dette hjælper med at finjustere artsspecifikke transkriptomer i pattedyr som mennesker, mus og så videre.
Klinisk relevans
Tilsammen har undersøgelserne betydelige potentielle konsekvenser for klinisk praksis, ifølge undersøgelsesforfattere, som omfatter en tværfaglig blanding af udviklingsbiologer, bioinformatikere og immunbiologer. Dysregulering af genekspression i dannelsen af mandlig sæd er tæt forbundet med mandlig infertilitet og fødselsdefekter.
Virus, især endogene retrovira (ERV'er), der er en iboende del af pattedyrs biologi, kan dramatisk påvirke genekspression, rapporterer efterforskere. ERV'er er molekylære rester af retrovira, der inficerer kroppen og over tid inkorporeres i genomet.
"Det, vi lærer af vores undersøgelse, er, at vira generelt spiller en stor rolle i at drive evolutionen," forklarede Namekawa. "På lang sigt har vira en positiv indvirkning på vores genom og former evolutionen."
Super-Enhancer Switch
Undersøgelsen, Maezawa og Sakashita et al., kombinerede biologisk testning af musemodeller og humane kimcelleceller med beregningsbiologi, herunder genom-dækkende profilering af genregulerende elementer i kimcelleceller.
Disse test afslørede, at den genomomspændende omorganisering af superforstærkere driver udbrud af kimlinjegenekspression, efter at kimceller går ind i meiose, en specialiseret form for celledeling, der producerer kimcellers haploide genom.
Undersøgelsen demonstrerer yderligere den molekylære proces, hvorigennem super-enhancer-skift finder sted i kønsceller. Super-enhancers reguleres af to molekyler, der fungerer som gen-burst-kontrolkontakter - transkriptionsfaktoren A-MYB og SCML2, et kritisk dæmpende protein i sæddannelse.
TE'er og springgener
Endogene retrovira er en gruppe af transposable elementer (TE'er), mobile genetiske elementer, der tegner sig for cirka 40-50 procent af et givet pattedyrs genom. Også kaldet "springende gener" er TE'er længe blevet betragtet som genetiske trusler, fordi transponering kan være skadelig, hvis processen f.eks. forstyrrer proteinkodende gener.
Namekawa og hans samarbejdspartnere (Sakashita et al.) bygger på resultater fra 1950'erne om, at TE'er kan fungere som genetiske regulatoriske elementer, og producerede data, der viser, at ERV-drevne mekanismer hjælper med at finjustere artsspecifikke transkriptomer.
Om undersøgelsen
Finansieringsstøtte til ERV-undersøgelsen kom delvist fra: National Institutes of He alth (R01 GM122776, DP2 GM119134); et Lalor Foundation Postdoc-stipendium; et tilskud fra Azabu University Research Services Division; Japans Ministerium for Uddannelse, Kultur, Sport, Videnskab og Teknologi (MEXT)-understøttet program for Private University Research Branding Project (2016-2019); et tilskud til opstart af forskningsaktiviteter (19K21196); Uehara Memorial Foundation Research Incentive Grant; en Albert J. Ryan Fellowship og en March of Dimes Prematurity Research Center Collaborative Grant (22-FY14-470).
Støtten til super-enhancer-undersøgelsen kom delvist fra et forskningsprojektbevilling fra Azabu University Research Services Division; et tilskud fra Japans Ministerium for Uddannelse, Kultur, Sport, Videnskab og Teknologi og (MEXT)-støttet program til Private University Research Branding Project (2016-2019); en Grant-in-Aid for Research Activity Start-up (19K21196) fra Takeda Science Foundation (2019); Uehara Memorial Foundation Research Incentive Grant (2018); et Lalor Foundation Postdoc-stipendium; et Albert J. Ryan Fellowship; og en Cincinnati Children's Endowed Scholar Award; CpG-bevillinger og National Institute of He alth (DP2 GM119134, R01GM122776 og GM098605)
