Alte Viren halfen dabei, schnelle Nerven zu entwickeln

Uralte Viren haben uns wirklich genervt, aber auf die beste Art und Weise.

Ein bestimmtes Retrovirus - das in der DNA von Kiefermäulern eingeschlossen ist - hilft laut einer Studie vom 15. Februar in der Zeitschrift Cell bei der Produktion eines Proteins, das zur Isolierung von Nervenfasern benötigt wird. Diese Isolierung, namens Myelin, hat möglicherweise dazu beigetragen, schnelles Denken und komplexe Gehirne möglich zu machen.

Das Retrovirus-Trick war tatsächlich so praktisch, dass es bei der Evolution von Kiefermäulern mehrmals aufgetreten ist, stellte das Team fest.

Retroviren - auch als springende Gene oder Retrotransposons bekannt - sind RNA-Viren, die DNA-Kopien von sich selbst erstellen, um sie in der DNA eines Wirts einzubetten. Früher betrachteten Wissenschaftler Überreste alter Viren als genetischen Müll, aber dieser Eindruck ändert sich, sagt der Neurologe Jason Shepherd, der nicht an der Studie beteiligt war.

"Wir stellen immer mehr fest, dass diese Retrotransposons und Retroviren die Evolution des Lebens auf dem Planeten beeinflusst haben", sagt Shepherd von der University of Utah Spencer Fox Eccles School of Medicine in Salt Lake City.

Überreste von Retroviren waren bereits bekannt dafür, die Evolution der Plazenta, des Immunsystems und anderer wichtiger Meilensteine in der menschlichen Evolution unterstützt zu haben. Nun werden sie auch mit der Produktion von Myelin in Verbindung gebracht.

Myelin ist eine Beschichtung aus Fett und Protein, die lange Nervenfasern, die als Axone bezeichnet werden, umgibt. Die Beschichtung funktioniert ein wenig wie die Isolierung um ein elektrisches Kabel: Nerven, die in Myelin gehüllt sind, können elektrische Signale schneller senden als unisolierte Nerven.

Myelinisierte Nervenfasern können auch dünner und länger wachsen als ohne Isolierung, was es Tieren ermöglicht, größer zu werden, sagt Robin Franklin, ein Stammzellbiologe am Altos Labs-Cambridge Institute of Science in England. Und dünnere Fasern können effizienter in das Nervensystem gepackt werden.

"Durch Myelin wurden Gehirne komplexer und Kiefermäuler vielfältiger", sagt Franklin. "Wenn die Myelinisierung nicht in der frühen Evolution der Kiefermäuler stattgefunden hätte, hätten wir nicht die ganze Vielfalt an Kiefermäulern, die wir heute sehen."

Franklin und seine Kollegen suchten in zuvor gesammelten Daten nach Hinweisen auf springende Gene, insbesondere solche, die die Produktion von Myelin beeinflussen könnten. Sie stießen in den Daten über die Zellen, die Nerven in Myelin einwickeln, auf hohe Mengen an RNA aus einem alten Retrovirus.

Diese RNA namens RetroMyelin enthält keine Anweisungen zur Herstellung eines Proteins selbst. Stattdessen bindet sich die RNA, wie das Team feststellte, an ein Protein namens SOX10 und gemeinsam schalten sie die Produktion des Myelin-Basisproteins ein, das Myelin fest um Nervenzellen herumwickelt.

Als die Forscher dann einen genetischen Trick verwendeten, um die Menge an RetroMyelin in Rattengehirnen, Zebrabärblingen und Fröschen zu reduzieren, sank die Produktion des Myelin-Basisproteins. Dieser Befund legt nahe, dass RetroMyelin-RNA wichtig für die Herstellung von Myelin ist.

Andere Retrotransposons haben die Evolution geprägt, indem sie neue Schalter in den genetischen Steuerungstafeln bestimmter Gene erzeugen oder neue Versionen von Proteinen produzieren, die die Aktivität von Genen regulieren, sagt Eirene Markenscoff-Papadimitriou, eine Entwicklungsneurologin an der Cornell University, die an der Forschung nicht beteiligt war. Aber die Produktion von RNA zur Beeinflussung der Genaktivität ist ein neuer Trick. Dieser Befund ist "eine sehr überraschende und wichtige Demonstration... einer neuen Art von Entwicklungsvorgang, der durch diese Retroviren ermöglicht wird", sagt sie.

Organismen mit Wirbelsäule und Kiefer, einschließlich Fischen, Amphibien und Säugetieren, haben RetroMyelin, während Neunaugen und andere kieferlose Fische und wirbellose Tiere dies nicht haben. Das würde zunächst darauf hinweisen, dass das Retrovirus in den gemeinsamen Vorfahren der Kiefermäuler sprang, aber das scheint nicht der Fall gewesen zu sein.

Das Team stellte fest, dass jede untersuchte Art ihre eigene Version von RetroMyelin hatte, anstatt verwandte Versionen mit einigen geringfügigen Änderungen. Dieses Muster legt nahe, dass das Retrovirus mehrere Arten zu verschiedenen Zeiten infiziert hat, aber zu demselben Ergebnis geführt hat, ein Konzept, das als konvergente Evolution bezeichnet wird.

Es ist nicht klar, warum Neunaugen und andere kieferlose Wirbeltiere kein RetroMyelin haben. Eine Möglichkeit ist, dass die Viren Neunaugen nicht infizieren, sagt der Studienmitautor Tanay Ghosh, ein Computerbiologe bei Altos Labs. Oder es könnte sein, dass die Viren zwar Neunaugen infiziert haben, aber evolutionär nicht nützlich waren und verloren gegangen sind.

Für Kiefermäuler, so Markenscoff-Papadimitriou, war es wichtig, bereits Myelin-Basisproteine und andere für die Myelinproduktion notwendige Komponenten zu besitzen, um den Vorteil von RetroMyelin nutzen zu können. "Wir werden ständig infiziert, und einige dieser [Viren] bringen einen evolutionären Vorteil", sagt sie. Wissenschaftler sehen die Erfolgsgeschichten, bei denen RetroMyelin wahrscheinlich sofort einen Vorteil für den Wirtorganismus gebracht hat und deshalb erhalten blieb.

Usually, researchers are interested in genes and RNAs that produce proteins. They filter out noncoding RNAs — ones like RetroMyelin that don’t produce proteins, Markenscoff-Papadimitriou says. But, she notes, scientists are increasingly recognizing that noncoding RNAs also do important jobs (SN: 4/7/19). “This paper will be an inspiration to other developmental biologists to really mine their data to look for the retrotransposons.”