Fragmenty DNA pochodzące od starożytnych wirusów, znane jako ludzkie retrowirusy endogenne (HERV), odgrywają kluczową rolę we wczesnym rozwoju ludzkiego embrionu. Te wirusowe pozostałości, stanowiące około 8,9% ludzkiego DNA, są świadectwem pradawnych infekcji naszych przodków, które na stałe wpisały się w nasz materiał genetyczny.
Badania, opublikowane w czasopiśmie Nature i kierowane przez dr Raquel Fueyo z Uniwersytetu Stanforda, przeprowadzone w laboratorium profesor Joanny Wysockiej, skupiły się na typie HERV o nazwie LTR5Hs. Okazało się, że te wirusowe elementy zachowują aktywność regulacyjną we wczesnych stadiach rozwoju zarodkowego. Naukowcy wykorzystali trójwymiarowe modele zarodków stworzone z komórek macierzystych (blastoidy) do manipulowania aktywnością elementów LTR5Hs. Intensywne tłumienie tych elementów uniemożliwiło prawidłowe formowanie się blastoidów, podczas gdy ich umiarkowane ograniczenie pozwoliło na częściowy rozwój. Sugeruje to, że fragmenty wirusowe działają jako wzmacniacze, regulując sąsiednie geny kluczowe dla rozwoju ludzkiego epiblastu – warstwy komórek, z której wywodzi się sam embrion.
Jednym z kluczowych odkryć jest unikalny dla człowieka element, który wzmacnia ekspresję genu ZNF729, zaangażowanego w podstawowe funkcje komórkowe, takie jak proliferacja i metabolizm. Usunięcie tego wirusowego elementu z komórek macierzystych uniemożliwiło tworzenie blastoidów. Badania te otwierają drogę do dalszych eksploracji, mających na celu ustalenie, czy te mechanizmy wirusowe mają znaczenie poza tym etapem, na przykład w tworzeniu innych tkanek, w patologiach rozwojowych czy w kontekście ludzkiej płodności.
Badania wykazały również, że te starożytne sekwencje wirusowe, które wcześniej uważano za „śmieciowe” DNA, aktywują się wkrótce po zapłodnieniu u różnych ssaków, w tym myszy, krów, świń, królików i makaków rezusów. Aktywacja ta może wpływać na specjalizację komórek i tworzenie tkanek, co jest kluczowym aspektem plastyczności komórek embrionalnych. Naukowcy odkryli, że LTR5Hs, specyficzne dla człowieka, działają jako wzmacniacze, kontrolując ekspresję setek genów w ludzkich embrionalnych komórkach rakowych. Elementy te są preferencyjnie wyrażane we wczesnych ludzkich blastocystach w porównaniu z makakami rezusami, u których brakuje insercji LTR5Hs, co wskazuje na rolę niedawnej endogenizacji HERVK w ustalaniu unikalnych wzorców ekspresji genów u człowieka i małp człekokształtnych.
Naukowcy podkreślają znaczenie tych wirusowych mechanizmów, które mogą być potencjalnymi celami terapeutycznymi w leczeniu różnych chorób. Badania dr Fueyo, wspierane przez stypendium EMBO i grant z Cancer Research Institute, kontynuują zgłębianie interakcji między elementami transpozycyjnymi a biologią komórki w procesach embriogenezy i nowotworzenia. Podobne badania prowadzone przez zespół prof. Joanny Wysockiej na Uniwersytecie Stanforda również koncentrują się na roli elementów transpozycyjnych i ich wpływie na rozwój embrionalny, podkreślając ich znaczenie w ewolucji i różnicowaniu się gatunków. Prace te wskazują, że to, co kiedyś uważano za "śmieciowe DNA", jest w rzeczywistości kluczowym elementem naszego dziedzictwa biologicznego, kształtującym naszą tożsamość jako gatunku. Ważne będzie również zbadanie wariacji genetycznych tych elementów wirusowych w populacjach i ich możliwego związku z zaburzeniami reprodukcyjnymi.