Cell：逆转录病毒在大脑进化中发挥了关键作用

研究人员在2024年2月15日的《细胞》(Cell)杂志上报告说，髓鞘可能要感谢古老的病毒，进而感谢我们庞大而复杂的大脑。研究小组发现，在哺乳动物、两栖动物和鱼类中，逆转录病毒衍生的遗传元件或“逆转录转座子”对髓磷脂的产生至关重要。他们将这一基因序列命名为“retrotransposon”，它很可能是古代病毒感染的结果，对哺乳动物、两栖动物和鱼类的retrotransposon的比较表明，在这些群体中，逆转录病毒感染和基因组入侵事件是分开发生的。

“逆转录病毒是脊椎动物进化起飞所必需的，”资深作者、剑桥科学研究所阿尔托斯实验室的神经科学家罗宾·富兰克林说。“如果我们没有逆转录病毒将它们的序列粘附到脊椎动物的基因组中，那么髓鞘形成就不会发生，如果没有髓鞘形成，我们所知道的脊椎动物的整个多样性就永远不会发生。”

髓鞘是一种复杂的脂肪组织，包裹着脊椎动物的神经轴突。它能实现快速的脉冲传导，而不需要增加轴突直径，这意味着神经可以更紧密地挤在一起。它还为神经提供代谢支持，这意味着神经可以更长。髓磷脂首次出现在生命之树上，大约与颌骨同时出现，它在脊椎动物进化中的重要性早就被认识到，但直到现在，还不清楚是什么分子机制触发了它的出现。

当研究人员检查中枢神经系统中产生髓磷脂的少突胶质细胞所利用的基因网络时，他们注意到后髓磷脂在髓磷脂产生中的作用。具体来说，该团队正在研究包括反转录转座子在内的非编码区域在这些基因网络中的作用——这在髓磷脂生物学的背景下还没有被探索过。

“逆转录转座子约占我们基因组的40%，但我们对它们如何帮助动物在进化过程中获得特定特征一无所知，”第一作者、剑桥科学研究所阿尔托斯实验室的计算生物学家塔内·高什说。“我们的动机是了解这些分子是如何帮助进化过程的，特别是在髓鞘形成的背景下。”

在啮齿类动物中，研究人员发现retro髓磷脂的RNA转录调节髓磷脂碱性蛋白的表达，髓磷脂碱性蛋白是髓磷脂的关键成分之一。当实验抑制少突胶质细胞和少突胶质细胞祖细胞(衍生少突胶质细胞的干细胞)中的后髓磷脂时，细胞不再产生髓磷脂碱性蛋白。

为了检验后髓磷脂是否存在于其他脊椎动物物种中，研究小组在有颌脊椎动物、无颌脊椎动物和几种无脊椎动物的基因组中寻找了类似的序列。他们在所有其他种类的有颌脊椎动物(鸟类、鱼类、爬行动物和两栖动物)中发现了类似的序列，但在无颌脊椎动物或无脊椎动物中没有发现类似的序列。

“有一种进化的驱动力使我们的轴突的脉冲传导更快，因为更快的脉冲传导意味着你可以更快地抓住东西或逃离东西。”

接下来，研究人员想知道逆转录髓磷脂是否曾经被整合到所有有颌脊椎动物的祖先体内，或者在不同的分支中是否有单独的逆转录病毒入侵。为了回答这些问题，他们从22种颌骨脊椎动物中构建了一个系统发育树，并比较了它们的后髓鞘序列。分析结果显示，retrotransposon序列在物种内部比物种之间更相似，这表明retrotransposon是通过趋同进化过程多次获得的。

研究小组还发现，retrotransposon在鱼类和两栖动物的髓鞘形成中起着功能性作用。当他们通过实验破坏斑马鱼和青蛙受精卵中的后髓磷脂基因序列时，他们发现发育中的鱼和蝌蚪产生的髓磷脂明显少于平时。

研究人员说，这项研究强调了基因组中非编码区域对生理和进化的重要性。“我们的发现为探索逆转录病毒如何更普遍地参与指导进化开辟了一条新的研究途径。”