W jaki sposób starożytny wirus uczynił nasze mózgi tak złożonymi?

Badania wykazały, że starożytna infekcja wirusowa mogła zapewnić zwierzętom narzędzia umożliwiające osiągnięcie szybkości, koordynacji i inteligencji.

Według artykułu opublikowanego w czwartek w czasopiśmie Cell złożone układy nerwowe powstały w odległej przeszłości po tym, jak wirusy umieściły fragmenty kodu w genomach kręgowców – zwierząt z rdzeniem kręgowym, od ludzi, przez żaby, po łososia.

Ta „inwazja” sama w sobie jest zwyczajna; Wstawianie takiego kodu to główna metoda stosowana przez wirusy – które nie mają zdolności do reprodukcji bez wsparcia chronionej komórki – w celu zmuszenia komórek do wykonania ich poleceń.

Jednak w tym przypadku komórki przekształciły nowy kod, aby osiągnąć własne cele. Naukowcy odkryli także dynamikę u podstaw podstawowych czynności zwierząt, takich jak zapłodnienie i ciąża.

„Komórki zachorowały i pomyślały: «Możemy wykorzystać tę sekwencję do własnych celów»” – powiedziała współautorka Tanay Ghosh z Cambridge Institute of Science.

Nowe fragmenty wstrzykniętego kodu pomogły skierować maszynerię komórkową do produkcji mieliny – osłony ochronnej wokół komórek nerwowych, która pomaga przyspieszyć przekazywanie sygnałów elektrycznych zasilających nasz układ nerwowy.

Mielina w naszym układzie nerwowym działa podobnie jak plastikowa izolacja pokrywająca kabel światłowodowy: blokując możliwość ucieczki sygnału przez ścianki przewodu (lub włókna nerwowego), umożliwia szybsze i mniejsze przesyłanie sygnału. błędy.

Ewolucyjnie ta właściwość pozwala na inne potężne efekty.

Ponieważ mielina umożliwia szybsze przemieszczanie się nerwów, umożliwia także nowe formy jednoczesnej komunikacji. Umożliwiło to ewolucję złożonych sieci neuronowych charakteryzujących się większą liczbą połączeń i interakcji w danej przestrzeni. (Chociaż nie wszystkie neurony mają osłonkę mielinową, komórki, które ją posiadają – szczególnie w istocie białej mózgu i rdzeniu kręgowym – znajdują się w obszarach, w których szybkość i gęstość połączeń ma kluczowe znaczenie).

Bez tych szybszych sygnałów „wszystkie mechanizmy drapieżnik-ofiara – cała ta ogromna różnorodność – nie wyewoluowałyby” – powiedział Ghosh.

Badania zespołu wykazały, że infekcja przodków kręgowców wirusami kodującymi mielinę prawdopodobnie występowała wielokrotnie, ponieważ blisko spokrewniona rodzina wirusów modyfikowała genomy przodków współczesnych ryb, płazów i ssaków – każdy z nich ponownie wykorzystywał nowe linie kodu. Aby zbudować złożoność.

Wymaga to złożonego tańca ewolucyjnego. Infekcja wirusowa nie kodowała produkcji mieliny, ale inna mutacja tak. Zamiast tego pomogło to białkom odczytującym i interpretującym genom związać się z konkretnym regionem, w którym można znaleźć instrukcje mielinowe.

Naukowcy o tym wiedzą, ponieważ niektóre proste kręgowce – takie jak minogi morskie – mają mutację mieliny, ale nie mają tej dodatkowej części genomu wirusa. Stosunkowo prosty układ nerwowy minoga morskiego również nie zawiera mieliny. Ghosh porównuje ten prymitywny układ nerwowy do orkiestry czekającej na rozpoczęcie gry. „Wszystkie instrumenty były tam, ale potrzebowały spustu. Skrzypce – albo wirusy.

Ghosh podkreślił, że te starożytne wirusy nie miały zamiaru zmieniać struktury swoich żywicieli. Zamiast tego sposób, w jaki odbyła się ta ewolucyjna ceremonia, pokazuje coś na temat komórek, co często przeoczają zwykli ludzie.

„Komórki są inteligentne” – powiedział. „Mają wiele mechanizmów, których nie rozumiemy – nie wiemy, jak wszystko robią. Czasami mówimy, że są dla nas za mądrzy.

W bardzo realnym sensie słowo „komórka” – wywodzące się z XVII-wiecznego odkrycia, że ​​tkanki roślinne i zwierzęce składają się z czegoś, co wyglądało jak małe pudełka – tak naprawdę nie oddaje złożoności sposobu, w jaki komórki interpretują i wchodzą w interakcje z każdym aspektem. Z ich środowisk. Pudełko małych cząsteczek i narządów stłoczonych w mikroskopijnej skorupie tłuszczu nie wystarczy do uformowania komórki, powiedział Ghosh. – Musisz mieć wiele innych rzeczy.

Złożoność ta jest widoczna w wielu obszarach: w wysoce wydajnych środkach, za pomocą których komórki tworzą i utrzymują systemy dostarczające naszemu organizmowi energię, oraz w ich precyzyjnym samodostrajaniu, aby znajdować i naprawiać błędy w swoim kodzie. Wszystko to wskazuje na pogląd, że ogniwa nie zatrzymują odpadów, powiedział Ghosh. „Jeśli jest coś, czego nie potrzebują, wyrzucają to”.

Pomysł ten ma poważne konsekwencje dla ludzkiego genomu jako całości. Około 8 proc Według Proceedings of the National Academy of Sciences składają się one z ciągów tego starożytnego kodu wirusowego, które są wstrzykiwane.

Duża część tego kodu może również działać funkcjonalnie lub zostać wykorzystana przez zwierzęta do robienia nowych rzeczy, wiele z nich jest zaskakująco intymnych. Na przykład DNA pochodzące z wirusa. Pomaga w tworzeniu łożyskaktóry przenosi płód u większości ssaków, a także A Podobna budowa u torbaczyI kolejny W jakiejś jaszczurce To rodzi, żeby młodzi ludzie mogli żyć.

Ludzie i inne naczelne również wykorzystują ponownie wykorzystane wirusowe DNA, aby pomóc w regulacji hormonów Który kontroluje czas porodu. Wydaje się, że na drugim końcu procesu ciąży wirusowe DNA kontroluje kluczowy przełącznik, dzięki któremu nowo zapłodnione komórki płodu przechodzą od zdolności do tworzenia dowolnej struktury – łącznie z tymi znajdującymi się poza ciałem płodu, takimi jak samo łożysko – do stawania się Zaprojektowany do budowy samego płodu. (Ten etap następuje kilka dni po zapłodnieniu, gdy nowy jednokomórkowy zarodek dzieli się wielokrotnie, tworząc blastocystę składającą się z kilkuset komórek.)

Aby te zmiany do nas dotarły, nie mogą zachodzić jedynie w ciałach poszczególnych zwierząt. Musiały jakoś przedostać się do „linii zarodkowej”: a Potencjalnie nieśmiertelny postęp Plemniki i komórki jajowe kodują i transportują komórki tworzące ludzkie ciała.

Ghosh zauważył, że ten proces infekcji, ponownego wykorzystania i transformacji nie ogranicza się do starożytnej historii naszego gatunku, ale nadal trwa, a jego przyszłe skutki są nieznane. „W przyszłości z naszym DNA może stać się więcej rzeczy – nie wiemy” – powiedział Ghosh.

„Ewolucja jest długa” – powiedział. „To proces dynamiczny, a nie statyczny”.