Sólin Sólin Rís 03:14 • sest 23:40 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 21:31 • Sest 03:39 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 04:55 • Síðdegis: 17:26 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 11:12 • Síðdegis: 23:43 í Reykjavík
COVID-19 borði í flokk

Er hluti af erfðamengi manna kominn frá veirum?

Erna Magnúsdóttir og Arnar Pálsson

Útreikningar vísindamanna benda til þess að um 8% erfðamengis manna sé upprunnið úr erfðamengi veira, og önnur 40% eru endurteknar raðir sem talið er að eigi líklega einnig uppruna sinn að rekja til veirusýkinga.[1]

Til samanburðar má nefna að aðeins um 1% af erfðaefni manna eru gen sem skrá fyrir prótínum, en það eru þau gen sem eru umrituð yfir í mRNA sem svo eru þýdd í prótín.[2] Um umritun gena má lesa meira í svari við spurningunni Hvað felst í umritun og afritun gena?

Innlimaðar veirur eru órjúfanlegur hluti af þróunarsögu og erfðamengjum lífvera. Innlimun veira sem verða að varanlegum hluta erfðamengi manna hefur átt sér stað smám saman yfir tugmilljónir ára.

Langflestar veirusýkingar hafa áhrif á líkamsfrumur, en erfðaefni þeirra berst ekki á milli kynslóða. Þannig breytist erfðamengi einstakra fruma einstaklings jafnvel varanlega við sýkingu án þess að afkomendur einstaklingsins erfi þær breytingar. Í fjölfruma lífverum eins og mönnum innlimast veiruraðir ekki varanlega inn í erfðamengið nema veira sýki frumur kímlínunnar, það er annað hvort kynfrumur eða forvera þeirra.

Langstærsti hluti veiruraða sem fundist hafa í erfðamengi manna tilheyrir svokölluðum víxlveirum sem eru innlimaðar í erfðamengið þegar þær sýkja frumur. Eftir það nefnast þær innrænar víxlveirur (e. endogenous retroviruses, ERVs).[3] Víxlveirur eru RNA-veirur sem draga nafn sitt af því að þær umrita erfðaefni sitt yfir í DNA með ensími sem kallast víxlriti (e. reverse transcriptase).

Eitt skref í lífsferli þessara veira gengur út á að ensím eins og integrasi innlimar DNA-víxlritið inn í erfðamengi frumunnar. Eftir það er DNA-röðin notuð sem sniðmát til RNA-umritunar sem þá er notað til að framleiða veirur sem geta sýkt fleiri frumur.

Skýringarmynd sem sýnir lífsferil víxlveiru í nokkrum liðum. Liður 2 sýnir veiru bindast við yfirborðsviðtaka frumu. Í lið 3 losar veiran erfðaefni sitt inn í frumuna, liður 4 sýnir víxlritun RNA-veirunnar (grænt) yfir í DNA (blátt). Liðir 6 og 7 sýna innlimun á DNA-afritinu inn í erfðamengi frumunnar og umritun þess í RNA. Liður 8 sýnir framleiðslu nýrra veira, þar sem umritin eru bæði notuð til þýðingar á veiruprótínum og jafnframt pakkað inn í nýjar veirur. Liður 9 sýnir hvernig nýjar veirur losna frá frumunni með útfrumun.

Ef víxlveirur sýkja kímlínufrumur eða kynfrumur manna sem svo mynda nýjan einstakling hefur erfðaefni veirunnar innlimast varanlega í erfðaefni manneskjunnar og erfist því til allra afkomenda einstaklingsins. Það veltur síðan á kröftum þróunar hver afdrif þessarar innlimuðu veiru verða, hvort hún tapast, ílengist í stofni, eða verður allsráðandi. Ef það síðastnefnda gerist mun hún finnast í öllum einstaklingum tegundarinnar. Síðan geta þessar veirur, sem nú kallast innrænar víxlveirur, náð að afrita sig og stinga sér inn á fleiri stöðum í erfðamenginu og þannig stækkar hlutur innrænu víxlveirunnar í erfðamenginu.

Það er frumum ekki hagstætt að hafa virkar innlimaðar víxlveirur sem geta tekið yfir kerfi frumunnar til umritunar og þýðingar á RNA í prótín til að framleiða fleiri veirur. Því hafa þróast ýmis öflug sameindakerfi til þess að þagga tjáningu innlimaðra veira, bæði með því að bæla umritun á veiru-RNA og með því að brjóta það niður jafnóðum og það myndast. Veiran er þá innlimuð í erfðamengið en áhrif hennar á virkni fruma eru takmörkuð. Ef engin valþrýstingur heldur veiruröðunum óbreyttum, stökkbreytast raðir veirunnar í gegnum þróunarsöguna. Það dregur smám saman úr hæfni innrænu víxlveirunnar til umritunar, þar til fjölgunarvirknin hverfur alveg. Að lokum sitja eftir raðir í erfðamenginu sem eru upprunnar úr sýkingu og innlimun veiru-erfðaefnis, sem einskonar draugaraðir. Draugaraðir hafa tapað upphaflegri virkni sinni.

Þessar innrænu víxlveirur verða þannig varanlegur hluti erfðamengis dýra, meðal annars okkar. Flestar þeirra eru álitnar hlutlaus og tilgangslaus farangur sem við burðumst með í gegnum þróunarsöguna, en ekki allar. Það kemur í ljós að sumar þessara DNA-raða eru hráefni þróunar. Veiruraðirnar innihalda til dæmis raðir sem eru vel til þess fallnar að stýra genatjáningu, enda er það tilgangur þeirra að tjá veirugenin sjálf. Í gegnum hina löngu sögu lífsins hafa þessar raðir þróast með umritunarþáttum erfðamengis lífverunnar sem þær sýkja. Umritunarþættirnir þekkja ákveðnar DNA-raðir, bindast þeim og annað hvort ræsa eða bæla tjáningu á nálægum genum. Þessi samþróun víxlveira og sérstaklega innlimun þeirra leggur þróuninni til efnivið, sem til dæmis nýtist til þess að búa til nýja svonefnda stýrla, en það eru stjórnraðir fyrir genatjáningu. Nýir stýrlar gera lífverum kleift að tjá gen í annarri frumugerð eða á öðru þroskastigi, sem skapar grundvöll fyrir fjölbreyttari frumusérhæfingu og nýja eiginleika lífvera.

Munur á andlitsfalli manns og simpansa er tengdur mismunandi tjáningu þroskunargena sem finnast í báðum tegundunum. Vísindamenn hafa leitt líkur að því að innrænar veirur hafi átt þátt í breytingum á stjórnröðunum sem liggja þar að baki.

Sem dæmi um þetta má taka samanburð á erfðamengjum manna og simpansa og dreifingu víxlveira í erfðamengjum þeirra. Það virðist sem breytingar á mynstrum tjáningar gena sem tengjast útliti höfuðkúpu og andlits manna séu að einhverju leyti tengdar dreifingu innrænna víxlveira í stjórnröðum tegundanna.[4]

Tilvísanir:
  1. ^ The non-human living inside of you - Cold Spring Harbor Laboratory. (Sótt 2.05.2020).
  2. ^ Sjá líka hér: 3D Animations - DNA Molecule: How Much DNA Codes for Protein? - CSHL DNA Learning Center. (Sótt 2.05.2020).
  3. ^ Hugtakið retróveira er líka notað á íslensku.
  4. ^ Coordinating the Human Looks - ScienceDirect. (Sótt 2.05.2020).

Myndir:

Höfundar þakka Snædísi Huld Björnsdóttur, sameindalíffræðingi og dósent við Líf- og umhverfisvísindadeild HÍ, og Stefáni Ragnari Jónssyni líffræðingi, fyrir yfirlestur og gagnlegar ábendingar.

Spurningu Sveins er hér svarað að hluta.

Höfundar

Erna Magnúsdóttir

dósent í lífeinda- og líffærafræði við læknadeild HÍ

Arnar Pálsson

erfðafræðingur og prófessor í lífupplýsingafræði við HÍ

Útgáfudagur

4.5.2020

Spyrjandi

Sveinn E.

Tilvísun

Erna Magnúsdóttir og Arnar Pálsson. „Er hluti af erfðamengi manna kominn frá veirum?“ Vísindavefurinn, 4. maí 2020. Sótt 4. júní 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=79293.

Erna Magnúsdóttir og Arnar Pálsson. (2020, 4. maí). Er hluti af erfðamengi manna kominn frá veirum? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=79293

Erna Magnúsdóttir og Arnar Pálsson. „Er hluti af erfðamengi manna kominn frá veirum?“ Vísindavefurinn. 4. maí. 2020. Vefsíða. 4. jún. 2020. <http://visindavefur.is/svar.php?id=79293>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Er hluti af erfðamengi manna kominn frá veirum?
Útreikningar vísindamanna benda til þess að um 8% erfðamengis manna sé upprunnið úr erfðamengi veira, og önnur 40% eru endurteknar raðir sem talið er að eigi líklega einnig uppruna sinn að rekja til veirusýkinga.[1]

Til samanburðar má nefna að aðeins um 1% af erfðaefni manna eru gen sem skrá fyrir prótínum, en það eru þau gen sem eru umrituð yfir í mRNA sem svo eru þýdd í prótín.[2] Um umritun gena má lesa meira í svari við spurningunni Hvað felst í umritun og afritun gena?

Innlimaðar veirur eru órjúfanlegur hluti af þróunarsögu og erfðamengjum lífvera. Innlimun veira sem verða að varanlegum hluta erfðamengi manna hefur átt sér stað smám saman yfir tugmilljónir ára.

Langflestar veirusýkingar hafa áhrif á líkamsfrumur, en erfðaefni þeirra berst ekki á milli kynslóða. Þannig breytist erfðamengi einstakra fruma einstaklings jafnvel varanlega við sýkingu án þess að afkomendur einstaklingsins erfi þær breytingar. Í fjölfruma lífverum eins og mönnum innlimast veiruraðir ekki varanlega inn í erfðamengið nema veira sýki frumur kímlínunnar, það er annað hvort kynfrumur eða forvera þeirra.

Langstærsti hluti veiruraða sem fundist hafa í erfðamengi manna tilheyrir svokölluðum víxlveirum sem eru innlimaðar í erfðamengið þegar þær sýkja frumur. Eftir það nefnast þær innrænar víxlveirur (e. endogenous retroviruses, ERVs).[3] Víxlveirur eru RNA-veirur sem draga nafn sitt af því að þær umrita erfðaefni sitt yfir í DNA með ensími sem kallast víxlriti (e. reverse transcriptase).

Eitt skref í lífsferli þessara veira gengur út á að ensím eins og integrasi innlimar DNA-víxlritið inn í erfðamengi frumunnar. Eftir það er DNA-röðin notuð sem sniðmát til RNA-umritunar sem þá er notað til að framleiða veirur sem geta sýkt fleiri frumur.

Skýringarmynd sem sýnir lífsferil víxlveiru í nokkrum liðum. Liður 2 sýnir veiru bindast við yfirborðsviðtaka frumu. Í lið 3 losar veiran erfðaefni sitt inn í frumuna, liður 4 sýnir víxlritun RNA-veirunnar (grænt) yfir í DNA (blátt). Liðir 6 og 7 sýna innlimun á DNA-afritinu inn í erfðamengi frumunnar og umritun þess í RNA. Liður 8 sýnir framleiðslu nýrra veira, þar sem umritin eru bæði notuð til þýðingar á veiruprótínum og jafnframt pakkað inn í nýjar veirur. Liður 9 sýnir hvernig nýjar veirur losna frá frumunni með útfrumun.

Ef víxlveirur sýkja kímlínufrumur eða kynfrumur manna sem svo mynda nýjan einstakling hefur erfðaefni veirunnar innlimast varanlega í erfðaefni manneskjunnar og erfist því til allra afkomenda einstaklingsins. Það veltur síðan á kröftum þróunar hver afdrif þessarar innlimuðu veiru verða, hvort hún tapast, ílengist í stofni, eða verður allsráðandi. Ef það síðastnefnda gerist mun hún finnast í öllum einstaklingum tegundarinnar. Síðan geta þessar veirur, sem nú kallast innrænar víxlveirur, náð að afrita sig og stinga sér inn á fleiri stöðum í erfðamenginu og þannig stækkar hlutur innrænu víxlveirunnar í erfðamenginu.

Það er frumum ekki hagstætt að hafa virkar innlimaðar víxlveirur sem geta tekið yfir kerfi frumunnar til umritunar og þýðingar á RNA í prótín til að framleiða fleiri veirur. Því hafa þróast ýmis öflug sameindakerfi til þess að þagga tjáningu innlimaðra veira, bæði með því að bæla umritun á veiru-RNA og með því að brjóta það niður jafnóðum og það myndast. Veiran er þá innlimuð í erfðamengið en áhrif hennar á virkni fruma eru takmörkuð. Ef engin valþrýstingur heldur veiruröðunum óbreyttum, stökkbreytast raðir veirunnar í gegnum þróunarsöguna. Það dregur smám saman úr hæfni innrænu víxlveirunnar til umritunar, þar til fjölgunarvirknin hverfur alveg. Að lokum sitja eftir raðir í erfðamenginu sem eru upprunnar úr sýkingu og innlimun veiru-erfðaefnis, sem einskonar draugaraðir. Draugaraðir hafa tapað upphaflegri virkni sinni.

Þessar innrænu víxlveirur verða þannig varanlegur hluti erfðamengis dýra, meðal annars okkar. Flestar þeirra eru álitnar hlutlaus og tilgangslaus farangur sem við burðumst með í gegnum þróunarsöguna, en ekki allar. Það kemur í ljós að sumar þessara DNA-raða eru hráefni þróunar. Veiruraðirnar innihalda til dæmis raðir sem eru vel til þess fallnar að stýra genatjáningu, enda er það tilgangur þeirra að tjá veirugenin sjálf. Í gegnum hina löngu sögu lífsins hafa þessar raðir þróast með umritunarþáttum erfðamengis lífverunnar sem þær sýkja. Umritunarþættirnir þekkja ákveðnar DNA-raðir, bindast þeim og annað hvort ræsa eða bæla tjáningu á nálægum genum. Þessi samþróun víxlveira og sérstaklega innlimun þeirra leggur þróuninni til efnivið, sem til dæmis nýtist til þess að búa til nýja svonefnda stýrla, en það eru stjórnraðir fyrir genatjáningu. Nýir stýrlar gera lífverum kleift að tjá gen í annarri frumugerð eða á öðru þroskastigi, sem skapar grundvöll fyrir fjölbreyttari frumusérhæfingu og nýja eiginleika lífvera.

Munur á andlitsfalli manns og simpansa er tengdur mismunandi tjáningu þroskunargena sem finnast í báðum tegundunum. Vísindamenn hafa leitt líkur að því að innrænar veirur hafi átt þátt í breytingum á stjórnröðunum sem liggja þar að baki.

Sem dæmi um þetta má taka samanburð á erfðamengjum manna og simpansa og dreifingu víxlveira í erfðamengjum þeirra. Það virðist sem breytingar á mynstrum tjáningar gena sem tengjast útliti höfuðkúpu og andlits manna séu að einhverju leyti tengdar dreifingu innrænna víxlveira í stjórnröðum tegundanna.[4]

Tilvísanir:
  1. ^ The non-human living inside of you - Cold Spring Harbor Laboratory. (Sótt 2.05.2020).
  2. ^ Sjá líka hér: 3D Animations - DNA Molecule: How Much DNA Codes for Protein? - CSHL DNA Learning Center. (Sótt 2.05.2020).
  3. ^ Hugtakið retróveira er líka notað á íslensku.
  4. ^ Coordinating the Human Looks - ScienceDirect. (Sótt 2.05.2020).

Myndir:

Höfundar þakka Snædísi Huld Björnsdóttur, sameindalíffræðingi og dósent við Líf- og umhverfisvísindadeild HÍ, og Stefáni Ragnari Jónssyni líffræðingi, fyrir yfirlestur og gagnlegar ábendingar.

Spurningu Sveins er hér svarað að hluta.

...