Nieuw onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, onthult dat ongeveer 8,9% van ons genoom, bestaande uit fragmenten van viraal DNA genaamd humane endogene retrovirussen (HERV's), een essentiële rol speelt in de vroege ontwikkeling van menselijke embryo's.
Deze fragmenten zijn overblijfselen van oude virussen die onze voorouders miljoenen jaren geleden infecteerden en in hun DNA werden geïntegreerd, waarna ze van generatie op generatie werden doorgegeven. Een specifiek type HERV, LTR5Hs genaamd, behoudt regulerende activiteit tijdens de vroege embryonale stadia en is cruciaal voor de vorming van het menselijk epiblast, de laag cellen waaruit het embryo ontstaat.
Het onderzoek, uitgevoerd in het laboratorium van professor Joanna Wysocka aan de Stanford University en geleid door Dr. Raquel Fueyo van Stanford University, gebruikte driedimensionale modellen van stamcellen, blastoïden genaamd, om de functie van LTR5Hs te bestuderen. Door middel van genbewerkingstechnieken werd de activiteit van deze virale elementen gemanipuleerd. De resultaten toonden aan dat een sterke onderdrukking van LTR5Hs de correcte vorming van blastoïden verhinderde, terwijl een gematigde onderdrukking gedeeltelijke ontwikkeling toestond.
Dit suggereert dat de virale fragmenten fungeren als enhancers, die nabijgelegen genen reguleren die essentieel zijn voor de ontwikkeling van het menselijk epiblast. Een uniek element in mensen verhoogt bijvoorbeeld de expressie van het ZNF729-gen, dat betrokken is bij fundamentele cellulaire functies zoals celgroei en metabolisme. Het verwijderen van dit virale element in stamcellen belemmerde de mogelijkheid om blastoïden te genereren.
Onderzoek heeft ook aangetoond dat deze oude virale sequenties, die voorheen als 'junk-DNA' werden beschouwd, kort na de bevruchting worden geactiveerd bij verschillende zoogdieren, waaronder muizen, koeien, varkens, konijnen en resusapen. Deze activering kan de celspecialisatie en weefselvorming beïnvloeden, wat een cruciaal aspect is van de plasticiteit van embryonale cellen. Wetenschappers ontdekten dat mensspecifieke LTR5Hs fungeren als enhancers, die de expressie van honderden genen in menselijke embryonale kankercellen reguleren. Deze elementen komen bij voorkeur tot expressie in vroege menselijke blastocysten vergeleken met resusapen, die geen LTR5Hs-inserties hebben, wat wijst op de rol van recente HERVK-endogenisatie bij het vaststellen van unieke genexpressiepatronen bij mensen en mensapen.
Deze bevindingen benadrukken de onverwachte en vitale rol van virale elementen in de genregulatie tijdens de embryonale ontwikkeling. Verder onderzoek is nodig om de rol van deze virale mechanismen te bestuderen in latere ontwikkelingsstadia, bij de vorming van andere weefsels, bij ontwikkelingspathologieën en zelfs bij menselijke vruchtbaarheidsproblemen. Verder onderzoek zal zich richten op genetische variaties in deze virale elementen tussen verschillende populaties en hun mogelijke verband met voortplantingsstoornissen.
Het werk van Dr. Fueyo, ondersteund door beurzen van de EMBO Foundation en het Cancer Research Institute, draagt bij aan een dieper begrip van de interacties tussen transponeerbare elementen en celbiologie in embryogenese en kanker. De studie opent deuren naar mogelijke therapeutische toepassingen, waarbij deze virale mechanismen als doelwit kunnen dienen voor de behandeling van diverse ziekten.