Bagaimana virus purba membuat otak kita begitu kompleks?

Sebuah penelitian menemukan bahwa infeksi virus purba mungkin telah memberi hewan alat untuk menjadi cepat, terkoordinasi, dan cerdas.

Menurut sebuah makalah yang diterbitkan Kamis di jurnal Cell, sistem saraf yang kompleks muncul di masa lalu setelah virus memasukkan potongan kode ke dalam genom vertebrata – hewan dengan sumsum tulang belakang, dari manusia, katak, hingga salmon.

“Invasi” ini sendiri adalah hal biasa; Memasukkan kode tersebut adalah metode utama yang digunakan oleh virus – yang tidak memiliki kemampuan untuk mereproduksi dirinya sendiri tanpa dukungan sel yang dilindungi – untuk memaksa sel menjalankan perintahnya.

Namun dalam kasus ini, sel mengubah kode baru untuk mencapai tujuannya, sebuah dinamika yang juga ditemukan para ilmuwan pada akar aktivitas dasar hewan seperti pembuahan dan kehamilan.

“Sel-sel menjadi sakit, dan sel-sel berpikir: 'Kita dapat menggunakan rangkaian ini untuk tujuan kita sendiri,'” kata rekan penulis Tanay Ghosh dari Cambridge Institute of Science.

Potongan kode baru yang disuntikkan membantu mengarahkan mesin seluler untuk memproduksi mielin, selubung pelindung di sekitar sel saraf yang membantu mempercepat transmisi sinyal listrik yang menggerakkan sistem saraf kita.

Mielin dalam sistem saraf kita bekerja seperti isolasi plastik yang menutupi kabel serat optik: dengan menghalangi kemampuan sinyal untuk keluar melalui dinding kabel (atau serabut saraf), hal ini memungkinkan sinyal ditransmisikan lebih cepat dan lebih sedikit. kesalahan.

Secara evolusioner, properti ini memungkinkan terjadinya efek kuat lainnya.

Karena mielin memungkinkan saraf bergerak lebih cepat, mielin juga memungkinkan bentuk komunikasi simultan yang baru. Hal ini memungkinkan evolusi jaringan saraf kompleks yang ditandai dengan lebih banyak koneksi dan interaksi dalam ruang tertentu. (Meskipun tidak semua neuron memiliki selubung mielin, sel-sel yang memiliki selubung mielin—khususnya di materi putih otak dan sumsum tulang belakang—ditemukan di area di mana kecepatan dan kepadatan koneksi sangat penting.)

Tanpa sinyal yang lebih cepat ini, “semua mekanisme predator-mangsa – semua keragaman yang sangat besar ini – tidak akan berevolusi,” kata Ghosh.

Penelitian tim menemukan bahwa infeksi nenek moyang vertebrata dengan virus pengkode mielin kemungkinan terjadi beberapa kali, karena keluarga virus yang berkerabat dekat memodifikasi genom nenek moyang ikan, amfibi, dan mamalia masa kini – masing-masing menggunakan kembali baris kode baru. Untuk membangun kompleksitas.

Hal ini memerlukan tarian evolusioner yang kompleks. Infeksi virus tidak mengkode produksi mielin, tetapi mutasi lain yang mengkodenya. Sebaliknya, hal ini membantu protein yang membaca dan menafsirkan genom berikatan dengan wilayah spesifik di mana instruksi mielin dapat ditemukan.

Para ilmuwan mengetahui hal ini karena beberapa vertebrata sederhana – seperti lamprey laut – memiliki mutasi mielin tetapi tidak memiliki bagian tambahan dari genom virus. Sistem saraf sea lamprey yang relatif sederhana juga tidak mengandung mielin. Ghosh membandingkan sistem saraf primitif ini dengan orkestra yang menunggu untuk mulai bermain. “Semua instrumen ada di sana, tapi butuh pemicu, biola – atau virus.

Ghosh menegaskan, virus purba ini tidak bermaksud mengubah struktur inangnya. Sebaliknya, cara terjadinya upacara evolusi ini menunjukkan sesuatu tentang sel yang sering diabaikan oleh orang awam.

“Sel itu cerdas,” katanya. “Mereka mempunyai banyak mekanisme yang tidak kita pahami – kita tidak tahu bagaimana mereka melakukan segalanya. Kadang-kadang kita mengatakan mereka terlalu pintar untuk kita.

Dalam arti sebenarnya, kata “sel” – yang berasal dari penemuan abad ke-17 bahwa jaringan tumbuhan dan hewan terbuat dari benda yang tampak seperti kotak-kotak kecil – tidak benar-benar menangkap kompleksitas cara sel menafsirkan dan berinteraksi dengan setiap aspek. Dari lingkungan mereka. Sekotak molekul kecil dan organ yang dijejali dalam cangkang lemak mikroskopis tidak cukup untuk membentuk sel, kata Ghosh. “Kamu pasti punya banyak hal lainnya.”

Kompleksitas ini terlihat jelas dalam berbagai bidang: dalam cara sel yang sangat efisien dalam membuat dan memelihara sistem yang memasok energi bagi tubuh kita, dan dalam penyesuaian diri yang tepat untuk menemukan dan memperbaiki kesalahan dalam kodenya. Semua ini menunjukkan gagasan bahwa sel tidak menyimpan limbah, kata Ghosh. “Jika ada sesuatu yang tidak mereka perlukan, mereka membuangnya.”

Gagasan ini mempunyai implikasi besar terhadap genom manusia secara keseluruhan. Sekitar 8 persen Yang terdiri dari rangkaian kode virus kuno yang disuntikkan, menurut Prosiding National Academy of Sciences.

Sebagian besar dari kode ini mungkin juga berfungsi, atau digunakan kembali oleh hewan untuk melakukan hal-hal baru, banyak di antaranya yang ternyata bersifat intim. Misalnya DNA yang berasal dari suatu virus. Membantu pembentukan plasentayang membawa janin pada sebagian besar mamalia — serta A Struktur serupa pada hewan berkantungDan satu lagi Pada beberapa jenis kadal Itu melahirkan generasi muda yang bisa hidup.

Manusia dan primata lainnya juga menggunakan DNA virus yang telah diubah fungsinya untuk membantu regulasi hormon Yang mengontrol waktu kelahiran. Di sisi lain dari proses kehamilan, DNA virus nampaknya mengendalikan perubahan penting di mana sel-sel janin yang baru dibuahi berubah dari mampu membentuk struktur apa pun – termasuk sel-sel di luar tubuh janin, seperti plasenta itu sendiri – menjadi menjadi Dirancang untuk konstruksi janin itu sendiri. (Tahap ini terjadi beberapa hari setelah pembuahan, ketika embrio satu sel baru membelah berulang kali untuk membentuk blastokista yang terdiri dari beberapa ratus sel.)

Agar perubahan ini dapat sampai kepada kita, perubahan tersebut tidak hanya dapat terjadi pada tubuh hewan secara individu. Mereka harus mencapai “garis benih” (germ line): a Kemajuan yang berpotensi abadi Sel sperma dan sel telur menyandikan – dan mengangkut – sel-sel yang membentuk tubuh individu.

Ghosh mencatat bahwa proses penularan, penggunaan kembali, dan transformasi ini tidak terbatas pada sejarah kuno spesies kita, namun masih terus berlangsung, dengan konsekuensi masa depan yang tidak diketahui. “Di masa depan, lebih banyak hal bisa terjadi pada DNA kita – kita tidak tahu,” kata Ghosh.

“Evolusi itu panjang,” katanya. “Ini adalah proses yang dinamis, bukan proses yang statis.”