#Retroviren unterstützten die Evolution des Gehirns

Unsere Nervenfasern sind mit einer isolierenden Schicht aus Myelin umgeben. Dieses ermöglicht, dass Reize schnell und effektiv weitergeleitet werden, und war eine Voraussetzung dafür, dass sich das komplexe Gehirn der Wirbeltiere entwickeln konnte. Eine Studie zeigt nun, dass ein Bereich in unserem Erbgut, der für die Produktion des Myelins unverzichtbar ist, wahrscheinlich vor hunderten Millionen Jahren von Retroviren in unser Genom eingeschleust wurde.

Unser Nervensystem leitet Signale über lange Nervenfasern, die sogenannten Axone weiter. Damit diese Weiterleitung möglichst schnell funktioniert, wurden die Axone der ersten Tiere zunächst immer dicker. Doch vor rund 420 Millionen Jahren entwickelte sich bei den Vorfahren der heutigen Wirbeltiere, zu denen auch wir Menschen gehören, eine effektivere Lösung: die sogenannte Myelinscheide. Sie umgibt die Axone als eine isolierende Schicht und ermöglicht eine schnelle Reizweiterleitung in wesentlich dünneren Nervenfasern. Zudem können die Nervenfasern dank der Myelinschicht dichter zusammenliegen, ohne dass sich die Signale gegenseitig stören.

Einem evolutionären Trick auf der Spur

„Diese evolutionäre Innovation, die erstmals bei Kieferwirbeltieren auftrat, ermöglichte eine schnelle Übertragung von Nervenimpulsen und war die Voraussetzung für komplexere Gehirne“, erklärt ein Team um Tanay Ghosh von der University of Cambridge in Großbritannien. Doch wie kam es dazu? Um diese Frage zu klären, analysierten Ghosh und sein Team die Genaktivität in den sogenannten Oligodendrozyten, also den Zellen, die das Myelin im zentralen Nervensystem produzieren.

Einen besonderen Fokus legten sie dabei auf nicht-kodierende Regionen, also Abschnitte in unserem Erbgut, die selbst nicht zu Proteinen umgesetzt werden, aber wichtige regulatorische Aufgaben haben können. Bei Ratten entdeckten sie einen solchen nicht-kodierenden Abschnitt, der offenbar die Herstellung des sogenannten basischen Myelinproteins reguliert – einem unverzichtbaren Bestandteil der Myelinscheide. Hemmten sie die entsprechende regulierende Region, konnten die betroffenen Zellen kein basisches Myelinprotein mehr produzieren.

Viren-DNA im Erbgut

Sequenzvergleiche zeigten, dass diese Regulationseinheit, der sie den Namen RetroMyelin gaben, ursprünglich von urzeitlichen Retroviren stammt, die ihr eigenes Erbgut in die DNA der frühen Tiere integrierten. Bereits für zahlreiche Stellen in unserem Erbgut wurde nachgewiesen, dass sie ursprünglich auf Viren zurückgehen. Während viele dieser sogenannten endogenen Retroviren im Laufe der Zeit ihre Funktion verloren haben, sind andere bis heute aktiv – mit teils positiven, teils negativen Auswirkungen. So sind sie daran beteiligt, männliche Muskeln wachsen zu lassen und bei der Fortpflanzung die Bildung der Plazenta zu unterstützen. Andererseits werden einige dieser Virenfragmente mit einem erhöhten Risiko für Krebs, Demenz und Multiple Sklerose in Verbindung gebracht.

Die aktuelle Studie legt nun nahe, dass endogene Retroviren eine entscheidende Rolle für die Entwicklung unseres Gehirns gespielt haben. „Retroviren waren die Voraussetzung dafür, dass die Evolution der Wirbeltiere in Gang kam“, sagt Ghoshs Kollege Robin Franklin. „Wenn es keine Retroviren gegeben hätte, die ihre Sequenzen in das Genom der Wirbeltiere einfügen, hätte es keine Myelinisierung gegeben, und ohne Myelinisierung hätte es die ganze Vielfalt der Wirbeltiere, wie wir sie kennen, nie gegeben.“

Wirbeltiere infizierten sich mehrfach unabhängig voneinander

In weiteren Untersuchungen wies das Team nach, dass entsprechende RetroMyelin-Abschnitte nicht nur bei Säugetieren vorkommen, sondern auch bei allen anderen Klassen von Wirbeltieren mit Kiefer, also bei Vögeln, Fischen, Reptilien und Amphibien. Bei kieferlosen Wirbeltieren wie Neunaugen sowie bei wirbellosen Tieren wie Fruchtfliegen und Fadenwürmern dagegen, die keine Myelinscheide haben, fehlte eine solche Sequenz. Zudem wiesen die Forschenden nach, dass die RetroMyelin-Sequenz auch bei Zebrafischen und Fröschen eine funktionelle Rolle spielt. Blockierten sie die Sequenz in den befruchteten Eiern dieser Tiere, war die Myelinproduktion des Nachwuchses gestört.

Um herauszufinden, ob RetroMyelin einmalig in die DNA des gemeinsamen Vorfahren aller Kieferwirbeltiere eingebaut wurde, oder ob es sich um mehrere unabhängige Infektionen handelte, verglichen Ghosh und sein Team die RetroMyelin-Sequenzen von 22 verschiedenen Wirbeltieren aus allen Klassen. Dabei zeigte sich, dass die Sequenzen bei den verschiedenen Wirbeltierklassen genetisch so weit voneinander entfernt sind, dass die Infektionen mit dem verantwortlichen Retrovirus wahrscheinlich erst stattfanden, nachdem sich die verschiedenen Klassen bereits voneinander getrennt hatten. „Unsere Ergebnisse eröffnen einen neuen Forschungsweg, um zu untersuchen, wie Retroviren generell die Evolution steuern“, sagt Ghosh.

Quelle: Tanay Ghosh (University of Cambridge, UK) et al., Cell, doi: 10.1016/j.cell.2024.01.011

© wissenschaft.de – Elena Bernard