Neue Forschungsergebnisse enthüllen, dass Fragmente viraler DNA, bekannt als humane endogene Retroviren (HERVs), eine wesentliche Rolle bei der frühen Entwicklung menschlicher Embryonen spielen.
Diese Fragmente, die etwa 8,9 % des menschlichen Genoms ausmachen, sind Überbleibsel alter Retroviren, die unsere Vorfahren infizierten und sich in unsere DNA integrierten, um über Generationen weitergegeben zu werden. Die Studie, angeführt von Dr. Raquel Fueyo vom Labor von Prof. Joanna Wysocka an der Stanford University, konzentrierte sich auf einen spezifischen Typ von HERV, bekannt als LTR5Hs. Diese viralen Elemente behalten ihre regulatorische Aktivität in frühen Embryonalstadien.
Mithilfe von dreidimensionalen Modellen, die aus Stammzellen abgeleitet wurden und als Blastoiden bezeichnet werden, manipulierten Wissenschaftler die Aktivität von LTR5Hs-Elementen durch Genbearbeitung und Regulierungstechniken. Die Ergebnisse zeigten, dass eine starke Unterdrückung dieser Elemente die korrekte Bildung von Blastoiden verhinderte, während eine moderate Repression eine teilweise Entwicklung ermöglichte. Dies deutet darauf hin, dass virale Fragmente als Enhancer wirken und benachbarte Gene regulieren, die für die Entwicklung des menschlichen Epiblasten – der Schicht, aus der sich der Embryo selbst entwickelt – unerlässlich sind.
Ein einzigartiges Element beim Menschen verstärkt beispielsweise die Expression des ZNF729-Gens, das an grundlegenden Zellfunktionen wie Proliferation und Stoffwechsel beteiligt ist. Die Eliminierung dieses viralen Elements in Stammzellen verhinderte die Fähigkeit, Blastoiden zu generieren. Diese Entdeckung stellt die frühere Annahme in Frage, dass Transposons lediglich parasitäre Elemente im Genom sind, und unterstreicht ihre entscheidende Bedeutung für die frühe menschliche Entwicklung.
Studien haben auch gezeigt, dass diese alten viralen Sequenzen, die zuvor als „Junk-DNA“ galten, kurz nach der Befruchtung bei verschiedenen Säugetieren, einschließlich Mäusen, Kühen, Schweinen, Kaninchen und Rhesusaffen, aktiviert werden. Diese Aktivierung kann die Zellspezialisierung und Gewebebildung beeinflussen, was ein Schlüsselaspekt der Plastizität embryonaler Zellen ist. Die Wissenschaftler entdeckten, dass menschenspezifische LTR5Hs als Enhancer wirken und die Expression Hunderter von Genen in menschlichen embryonalen Krebszellen kontrollieren. Diese Elemente werden in frühen menschlichen Blastozysten bevorzugt exprimiert im Vergleich zu Rhesusaffen, denen LTR5Hs-Insertionen fehlen, was auf die Rolle der jüngsten Endogenisierung von HERVK bei der Etablierung einzigartiger Genexpressionsmuster beim Menschen und bei Menschenaffen hinweist.
Die Forschung legt nahe, dass diese viralen Mechanismen auch über diese Phase hinaus eine Rolle spielen könnten, beispielsweise bei der Bildung anderer Gewebe, bei Entwicklungsstörungen oder sogar bei der menschlichen Fruchtbarkeit. Es wird auch von entscheidender Bedeutung sein, genetische Variationen in diesen viralen Elementen zwischen Populationen zu untersuchen und deren mögliche Beziehung zu Fortpflanzungsstörungen zu erforschen. Dr. Fueyo, die mit einem Stipendium der EMBO Foundation und einem Zuschuss des Cancer Research Institute ausgezeichnet wurde, setzt ihre Forschung in diesem Bereich fort, um die Wechselwirkungen zwischen transponierbaren Elementen und der Zellbiologie in der Embryogenese und bei Krebs zu verstehen.
Diese Studie beleuchtet die Bedeutung viraler Elemente für die Genregulation und deutet darauf hin, dass sie therapeutische Ziele bei der Behandlung verschiedener Krankheiten sein könnten. Die Entdeckung, dass diese uralten viralen DNA-Fragmente, die einst als „dunkle Seite“ des Genoms galten, für die Entstehung neuen menschlichen Lebens unerlässlich sind, eröffnet faszinierende Perspektiven für das Verständnis der menschlichen Evolution und Entwicklung. Die LTR5Hs-Elemente sind erst seit etwa 5 Millionen Jahren in der menschlichen Linie vorhanden, was im evolutionären Maßstab eine relativ junge Entwicklung darstellt. Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die evolutionäre Umgestaltung von Genregulationsnetzwerken nicht nur zu artspezifischen Innovationen führen kann, sondern auch neue Abhängigkeiten schafft und kürzlich entstandenen regulatorischen Elementen und Genen eine essentielle Bedeutung verleiht.