Retrovirale Oberflächenproteine, deren Gene vor mehreren Millionen Jahren durch Infektionen übertragen wurden, sind essentiell für den funktionsfähigen Stoffaustausch über die Plazenta zwischen Mutter und Fötus. Diese Art der Genübertragung gleicht den heute verwendeten viralen Vektoren die für potentielle Gentherapieanwendungen entwickelt werden.

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Ein Hauptmerkmal der Säugetiere, zu denen wir als Menschen zählen, ist die verlängerte Verweildauer des Embryos im mütterlichen Körper, wozu es der Gebärmutter und der darin gebildeten Plazenta bedarf. Dies ist ein hochspezialisiertes Gewebe, welches aus Zellen des heranreifenden Embryos sowie Zellen der mütterlichen Uteruswand gebildet wird. Die Plazenta übernimmt die Versorgung des Fötus mit Nährstoffen und Sauerstoff, schirmt ihn aber ebenfalls höchst wirksam gegen potentielle Pathogene und Giftstoffe der Mutter ab. Um diese beiden Aufgaben effektiv zu bewerkstelligen weist die Grenzschicht zwischen Mutter und Embryo eine hochkomplexe Struktur auf, die genug Schutz des empfindlichen Fötus bietet aber gleichzeitig genug Nährstoffe und Sauerstoff durchlässt, um dessen Entwicklung nicht zu beeinträchtigen.
Bei der Untersuchung der verschiedenen Plazentatiere (höhere Säugetieren (Eutheria) und manchen Beutelsäugern (Metatheria)) wurden unterschiedliche Plazentastrukturen entdeckt, was unterschiedliche Entstehungsprozesse nahelegt. In den höheren Säugetieren wird zwischen drei verschiedenen Plazentatypen unterschieden, den epitheliochorialen, endotheliochorialen und hemochorialen. Wobei es bei den ersten beiden zu einem einfacheren Gegenüberstehen der embryonalen und mütterlichen Gewebegrenzschichten kommt, hingegen bei der letzten Version, die embryonalen Grenzschichten invasiv in die Blutgefäße der Mutter vordringen, um dort den Stoffaustausch zu gewährleisten. Wir Menschen gehören zu den hemochorialen Plazentatieren.

In den letzten Jahren hat sich herausgestellt, dass ein endogenes Retrovirusprotein, das Syncytin, maßgeblich an der Ausbildung dieser plazentalen Grenzschicht beteiligt ist. Dabei werden wahrscheinlich Eigenschaften zweckentfremdet, die diesem ehemaligen retroviralen Oberflächenprotein und seinem umhüllten Viruspartikel die Infektion neuer Wirtszellen ermöglichte.

Retroviren sind eine große Familie bestehend aus (ss(+)-RNA) -Viren, deren Erbinformation aus einzelsträngiger Ribonukleinsäure (RNA) besteht. Dementsprechend benötigen sie eine reverse Transkription, die das RNA-Genom in DNA umschreibt, dies spiegelt sich auch im Namen „Retro” wieder. Auch das HI-Virus gehört als Lentivirus in diese Familie. Das virale DNA-Genom wird dann stabil ins Genom der Wirtszelle integriert und verbleibt dort um als Matritze für die Neubildung von Nachkommenviren zu dienen. Findet diese Integration in einer Keimbahnzelle, also einer Zelle oder deren Vorläufer, die zur Embryoentstehung dient statt, wird das retrovirale Gen-Element weitervererbt und besteht fortan als endogenes Retrovirus. Dies ist ein überaus häufiges Ereignis, denn das menschliche Genom besteht zu mindestens 8% aus endogenen retroviralen Elementen, die sich in verschiedenen Stadien der „Fossilisierung” befinden. Bei der Integration eines solchen Elementes kann es zur Zerstörung eines essentiellen Gens der Wirtszelle kommen und damit zu einem Stopp der Weitervererbung. Ist dies nicht der Fall führen Mutationen im Lauf der Zeit zu einer Fossiliserung, also zu Veränderungen der DNA und zum Verlust der kodierten Information. Dies wiederum kann verhindert werden, wenn ein retrovirales Gen eine neue Funktion übernimmt und damit essentiell wird. In diesem Fall führen Mutationen zu selektivem Druck und werden aussortiert. Ein Beispiel für ein essentiell gewordenes retrovirales Protein ist das Syncytin. Einstmals ein Oberflächenprotein eines Retrovirus vermittelte es dessen Infektiosität und Fusion mit der Wirtszelle. Im Lauf der Zeit wurde diesem viralen Protein eine neue Aufgabe zuteil, nämlich die Vermittlung des Zell-Zell-Kontaktes zwischen Plazenta und Uterusgewebe. Dabei greift das Protein auf seine ursprüngliche Eigenschaft der Vermittlung einer Zellmembranfusion zurück, die es im Kontext des Retrovirus ausübte. Diese Eigenschaft ist essentiell für die Entwicklung des Embryos, wie Funktionsverluststudien in Mäusen und Schafen zeigten. Außerdem wurde die Eigenschaft des Syncytin, eine Infektion zu vermitteln erhalten, wie die Ausstattung eines nicht-infektiösen Viruspartikels mit Syncytin zeigte. Denn nach der Einbringung des Oberflächenproteins konnte das entstandene Virus erneut Zellen infizieren.
Ein weiterer wichtiger Aspekt könnte eine immunsupprimierende Funktion dieser Proteinklasse in der Schwangerschaft sein. Viele Retrovirale Oberflächenproteine besitzen eine solche Funktion, um den Wirt davon abzuhalten der Virusinfektion mit der vollen Härte seines Immunsystems zu begegnen. Im Kontext der Syncytine könnte auch diese Eigenschaft eine neue Funktion erhalten haben. Denn eine Schwangerschaft ist mit einer Organtransplantation mit fremdem Gewebe vergleichbar, da der Embryo, mit einer Mischung aus paternalen und maternalen Oberflächenmerkmalen ausgestattet ist. Den paternalen Anteil erkennt das Immunsystem der Mutter dabei als fremd und versucht ihn abzustoßen, ähnlich wie es bei einem transplantierten Organ der Fall wäre. Im Kontext der Sycytine könnte diese Immunsuppression zur Toleranz des embryonalen Gewebes durch das mütterliche Immunsystem beitragen.

Dass eine solche Neuvergabe von Funktionalität eines retroviralen Oberflächenproteins mehrmals in der Entwicklung der Säugetiere stattgefunden hat lässt sich aus den verschiedenen vorkommenden Syncytin Proteinen ableiten. So besitzen die verschiedenen Ordnungen der Säugetiere verschiedene Syncytine, die zwar die gleiche Funktion ausüben, in ihrer DNA-Sequenz aber so verschieden sind, dass sie von unterschiedlichen Retroviren stammen müssen. Bisher wurden die Syncytine- 1 und -2 in Primaten und Hominiden entdeckt, und weitere rerovirale Oberflächengene mit plazentaler Lokalisierung in anderen Primaten. In Nagern kommen dagegen Syncytin-A und -B. Nun wurde ein weiterer Vertreter, das Syncytin-Car1, in Fleischfressern entdeckt und gezeigt, dass dieses zwischen Katzen, Hunden und Bären geteilt wird. Dementsprechend lässt sich ein Alter dieser Retrovirusintegration ableiten, da sich die Evolutionszweige dieser Vertreter der Fleischfresser vor ca. 60 Millionen Jahren trennten. Die humanen Syncytine scheinen dagegen zwischen 40 und 25 Millionen Jahren alt zu sein.

Diese Geschichte zeigt eindrucksvoll, in welchem Maße die Evolution kreativ vorgeht (ich weiß: in der Natur gibt es keine Teleologie!). Aber die Integration und Zweckentfremdung dieser retroviralen Proteine für die Entwicklung einer höchst effektiven Methode dem Nachwuchs einen Überlebensvorteil zu verschaffen, ist doch ein großartiges Beispiel für die Möglichkeiten einer durch Auslese und Fitness getriebenen Evolution.

ResearchBlogging.orgCornelis, G., Heidmann, O., Bernard-Stoecklin, S., Reynaud, K., Veron, G., Mulot, B., Dupressoir, A., & Heidmann, T. (2012). PNAS Plus: Ancestral capture of syncytin-Car1, a fusogenic endogenous retroviral envelope gene involved in placentation and conserved in Carnivora Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1115346109

Kommentare (15)

  1. #1 Ludger
    Januar 27, 2012

    Wunderbar! Kleine Ergänzung aus der Erinnerung und ohne Anspruch auf Richtigkeit: Eine hemochoriale Plazenta haben die Kinder erst nach der 18. SSW. Deswegen können manche Infektionen auch erst danach auf den Nasciturus übergehen.

  2. #2 Felix Bohne
    Januar 27, 2012

    @Ludger: Danke, interessant, das wurde nicht so detailliert erwähnt!

  3. #3 Ludger
    Januar 27, 2012

    Z.B. Lues ( http://de.wikipedia.org/wiki/Lues#Angeborene_Syphilis_.28Lues_connata.29 ): “Die Treponemen sind etwa ab der 20. Schwangerschaftswoche plazentagängig, können also die natürliche Barriere zwischen mütterlichem und kindlichem Kreislauf überwinden und den Fötus infizieren. “

  4. #4 Theres
    Januar 27, 2012

    Faszinierend, und aus krank mach Entwicklungsvorteil … Okay, das war zu platt.
    Könnten – nur so eine Idee – aus oben erwähntem erhaltenen Potenzial des Syncytins – einige Autoimmunkranheiten eine solche Ursache haben?

  5. #5 Felix Bohne
    Januar 27, 2012

    @Theres: Gut möglich, da bin ich überfragt! Ich denke die Erforschung der ERV ist noch weit davon entfernt abgeschlossen zu sein!

  6. #6 Felix Bohne
    Januar 27, 2012

    @Ludger: Es gibt immer ein “BUG”, der die Schutzmechanismen ausmanövrieren kann!

  7. #7 Geoman
    Januar 27, 2012

    Endlich mal wieder ein schöner substanzieller Artikel (zur Evolution) auf Scienceblogs.

    Nur Euer Resümee scheint mir etwas zögerlich oder verhalten scholastisch:

    “Aber die Integration und Zweckentfremdung dieser retroviralen Proteine für die Entwicklung einer höchst effektiven Methode dem Nachwuchs einen Überlebensvorteil zu verschaffen, ist doch ein großartiges Beispiel für die Möglichkeiten einer durch Auslese und Fitness getriebenen Evolution.”

    Mir scheint dies weniger ein großartiges Beispiel dafür zu sein, dass die Evolution durch Auslesse und Finess vorangetrieben wird, sondern vielmehr dafür, dass Lebewesen in der Lage sind, fremde Genome zweckzuentfremden oder zu integrieren und evolutiv zu verwerten (‘Evolution durch Genomerwerb’).

  8. #8 Keoman
    Januar 27, 2012

    Endlich mal wieder ein schöner substanzieller Artikel (zur Evolution) auf Scienceblogs.

    Nur Euer Resümee scheint mir etwas zögerlich oder verhalten scholastisch:

    “Aber die Integration und Zweckentfremdung dieser retroviralen Proteine für die Entwicklung einer höchst effektiven Methode dem Nachwuchs einen Überlebensvorteil zu verschaffen, ist doch ein großartiges Beispiel für die Möglichkeiten einer durch Auslese und Fitness getriebenen Evolution.”

    Mir scheint dies weniger ein großartiges Beispiel dafür zu sein, dass die Evolution durch Auslesse und Finess vorangetrieben wird, sondern vielmehr dafür, dass Lebewesen in der Lage sind, fremde Genome zweckzuentfremden oder zu integrieren und evolutiv zu verwerten (‘Evolution durch Genomerwerb’).

  9. #9 BreitSide
    Januar 27, 2012

    xxx

  10. #10 Utan
    Januar 28, 2012

    Keoman: Das klingt so, als gäbe es einen Mechanismus, der diese Fremden Genome nach ihrer Nützlichkeit auswählen könnte, oder habe ich das falsch verstanden?
    Ansonsten werden ja gute, wie auch schlechte Genome integriert, wovon jedoch nur die guten der Auslese widerstehen, und sich etablieren? (Also was der Autor sagte?)

  11. #11 BreitSide
    Januar 28, 2012

    Ach Geo-/Keo-/Neomännchen, Du versuchst es immer wieder?

    Deine bekannt antiwissenschaftlichen Denkweisen kennen wir inzwischen.

  12. #12 Keoman
    Januar 28, 2012

    @ Utan

    Einen Mechanismus, der versucht, fremdes Genmaterial, das in das Genom eingebaut wurde, (sinnvoll) zu exprimieren, könnte ich mir schon vorstellen. Allerdings warum und wie, sollte das Genom ‘wählerisch’ sein, wo es doch soviel Schrott darin gibt.

    @ BreitSide

    Auch beim besten Willen kann ich in meinem Kommentar nix antiwissenschaftliches Erkennen. Es ist wohl mehr ein Vorurteil von Dir, dass Du hier gebetsmühlenartig wiederholst.

  13. #13 BreitSide
    Januar 28, 2012

    @Leo-/Geo-/Keo-/Neomännchen: Du erkennst Unwissenschaftlichkeit ja nicht einmal, wenn Du mitten drin steckst. Oder vielleicht gerade deshalb?

  14. #14 Muddi & theBlowfish
    Januar 30, 2012

    Danke für den schönen Artikel, irgendwo hatte ich das mit der Retrovirus-DNA mal gelesen, aber ohne vernünftige Quellenangabe dazu.
    War dann irgendwie im Hirn unter: -Kann man mal nachrecherchieren, wenn irgendwann mal die Zeit dazu ist (ist natürlich nie 😉 )-abgespeichert.

  15. #15 Felix Bohne
    Januar 30, 2012

    @Muddi & theBlowfish: Kenn ich gut, hab auch noch eine ganzes Arsenal an diesem Typ Baustelle abgespeichert.