Введение
Наследственные ретровирусы, кодируемые в геноме организма Эндогенные ретровирусы (ЭРВ) - это эндогенные вирусные элементы в геноме, которые очень похожи и могут быть получены из ретровирусов. Они обильны в геномах челюстных позвоночных, и они составляют до 58% генома человека (меньшие оценки ~ 1%). ERV - это вертикально унаследованная провирусная последовательность и подкласс типа гена, называемого транспозоном, который обычно может быть упакован и перемещен в геноме, чтобы играть жизненно важную роль в экспрессии и регуляции генов. Однако у ERV отсутствуют большинство функций транспозона, они обычно не являются инфекционными и часто являются дефектными геномическими остатками ретровирусного цикла репликации. Они отличаются как ретроэлементы зародышевой линии провируса из-за их интеграции и обратной транскрипции в ядерный геном клетки-хозяина. Исследователи предположили, что ретровирусы эволюционировали из типа транспозиона, называемого ретротранспозоном, элементом класса I; когда интеграция вирусной ДНК происходит в зародышевой линии, она может привести к ERV, который позже может быть зафиксирован в генофонде популяции хозяина.
Endogenous retroviruses (ERVs) are endogenous viral elements in the genome that closely resemble and can be derived from retroviruses. They are abundant in the genomes of jawed vertebrates, and they comprise up to 5–8% of the human genome (lower estimates of ~1%). ERVs are a vertically inherited proviral sequence and a subclass of a type of gene called a transposon, which can normally be packaged and moved within the genome to serve a vital role in gene expression and in regulation. ERVs however lack most transposon functions, are typically not infectious and are often defective genomic remnants of the retroviral replication cycle. They are distinguished as germline provirus retroelements due to their integration and reverse transcription into the nuclear genome of the host cell. Researchers have suggested that retroviruses evolved from a type of transposon called a retrotransposon, a Class I element; When integration of viral DNA occurs in the germ line, it can give rise to an ERV, which can later become fixed in the gene pool of the host population.
Формирование
Цикл репликации ретровируса включает в себя вставку ("интеграцию") копии ДНК вируса в ядерный геном клетки-хозяина. Большинство ретровирусов заражают соматические клетки, но иногда может возникать инфекция клеток зародышевой линии (клеток, которые производят яйцеклетки и сперму). Редко ретровирусная интеграция может произойти в зародышевой клетке, которая затем развивается в жизнеспособный организм. Этот организм будет нести встроенный ретровирусный геном как неотъемлемую часть своего собственного генома - "эндогенный" ретровирус (ERV), который может быть унаследован его потомками в качестве нового аллеля. Многие ERV сохраняются в геноме хозяина миллионы лет. Однако большинство из них приобрели инактивирующие мутации во время репликации ДНК хозяина и больше не способны производить вирус. ERV также могут быть частично удалены из генома в процессе, известном как рекомбинационная делеция, при которой рекомбинация между идентичными последовательностями, которые окружают недавно интегрированные ретровирусы, приводит к удалению внутренних областей кодирования белка вирусного генома. Общий геном ретровируса состоит из трех генов, жизненно важных для вторжения, репликации, побега и распространения его вирусного генома. Эти три гена - gag (кодирует структурные белки для ядра вируса), pol (кодирует обратную транскриптазу, интегразу и протеазу) и env (кодирует белки шерсти для внешней стороны вируса). Эти вирусные белки кодируются как полипротеины. Чтобы выполнить свой жизненный цикл, ретровирус в значительной степени зависит от механизмов клетки-хозяина. Протеаза разрушает пептидные связи вирусных полипротеинов, делая отдельные белки функциональными. Обратная транскриптаза синтезирует вирусную ДНК из вирусной РНК в цитоплазме клетки-хозяина до того, как она попадает в ядро. Интеграза направляет интеграцию вирусной ДНК в геном хозяина. Со временем геном ERV не только приобретает точечные мутации, но также перемешивается и рекомбинируется с другими ERV.
Роль в геномной эволюции
Эндогенные ретровирусы могут играть активную роль в формировании геномов. Большинство исследований в этой области были сосредоточены на геномах людей и высших приматов, но другие позвоночные, такие как мыши и овцы, также были изучены в глубине. Длинные терминальные повторяющиеся (LTR) последовательности, которые окружают геномы ERV, часто действуют как альтернативные промоторы и усилители, часто способствуя транскриптому, производя тканевые специфические варианты. Кроме того, сами ретровирусные белки были использованы для выполнения новых функций хозяина, особенно в области размножения и развития. Рекомбинация между гомологичными ретровирусными последовательностями также способствовала смешиванию генов и генерированию генетических вариаций. Кроме того, в случае потенциально антагонистических эффектов ретровирусных последовательностей, репрессорные гены эволюционировали совместно для борьбы с ними. Около 90% эндогенных ретровирусов являются сольными LTR, не имеющими открытых рам считывания (ORF). Было показано, что сольные LTR и LTR, связанные с полными ретровирусными последовательностями, действуют как транскрипционные элементы на генах хозяина. Их диапазон действия в основном заключается в вставке в 5' UTR генов, кодирующих белки; однако, известно, что они действуют на гены на расстоянии до 70-100 кб. Большинство этих элементов вставляются в направлении чувств к соответствующим генам, но есть свидетельства того, что LTR действуют в направлении античувств и в качестве двунаправленного промотора для соседних генов. В некоторых случаях LTR функционирует как основной промотор гена. Например, у человека AMY1C имеет полную последовательность ERV в своей промоторной области; связанный LTR дает слюновой специфическую экспрессию пищеварительного фермента амилазы. Кроме того, основной промотор желчной кислоты CoA: аминокислотная N ацилтрансфераза (BAAT), который кодирует фермент, который является неотъемлемой частью метаболизма желчи, имеет происхождение из LTR. Вставка одиночного ERV 9 LTR могла привести к образованию функционального открытого отсчета, вызывая возрождение гена GTPase, связанного с иммунитетом человека (IRGM). Было также показано, что вставки ERV генерируют альтернативные сайты сцепления либо путем прямой интеграции в ген, как в случае с рецептором гормона лептина человека, либо за счет экспрессии LTR вверх по течению, как в случае с белком, похожим на фосфолипазу А2. Однако в большинстве случаев LTR функционирует как один из многих альтернативных промоторов, часто дающих специфическую экспрессию тканей, связанную с размножением и развитием. Фактически, 64% известных LTR- стимулируемых вариантов транскрипции экспрессируются в репродуктивных тканях. Например, ген CYP19 кодирует ароматазу P450, важный фермент для синтеза эстрогена, который обычно экспрессируется в мозге и репродуктивных органах большинства млекопитающих. Другие белки, такие как оксид азота синтеза 3 (NOS3), интерлейкин 2 рецептор B (IL2RB) и другой медиатор синтеза эстрогена, HSD17B1, также регулируются LTR, которые дают плацентарную экспрессию, но их специфические функции еще не известны. Считается, что высокая степень репродуктивной экспрессии является последствием метода, с помощью которого они были эндогенизированы; однако это также может быть связано с отсутствием метилирования ДНК в тканях зародышевой линии. Кроме того, введение ERV и соответствующих LTR может вызвать хромосомное перестройка вследствие рекомбинации между вирусными последовательностями в межхромосомных локациях. Было показано, что эти перестановки вызывают дубликацию и удаление генов, которые в значительной степени способствуют пластичности генома и резко меняют динамику функции генов. Кроме того, ретроэлементы в целом в значительной степени распространены в быстро развивающихся, специфических для млекопитающих семействах генов, функция которых в значительной степени связана с реакцией на стресс и внешние стимулы. Более конкретно, HERV в основном занимают регионы внутри и между точками разрыва между этими блоками, предполагая, что значительные дублирования и делеции событий, как правило, связанных с неравным пересечения, способствовали их формированию. Поколение этих блоков, унаследованных как иммунохаплотипы, действует как защитный полиморфизм против широкого спектра антигенов, которые могли бы дать людям преимущество перед другими приматами. Еще одним примером использ�...
Неврологические расстройства
У людей, ERVs были предложены быть вовлечены в рассеянный склероз (MS). У пациентов с этим заболеванием была зарегистрирована специфическая связь между РС и ERVWE1 или геном " синцитин ", который происходит от введения ERV, а также наличие " ретровируса, связанного с РС " (MSRV). Врачи также связывают человеческие ВЭР с БАС и зависимостью. В 2004 году сообщалось, что антитела к HERVs были обнаружены с большей частотой в сыворотке людей с шизофренией. Кроме того, в спинномозговой жидкости людей с недавней началом шизофрении содержался ретровирусный маркер, обратная транскриптаза, в четыре раза выше, чем у контрольных испытуемых. Исследователи продолжают изучать возможную связь между HERV и шизофренией, с дополнительной возможностью возникновения инфекции, вызывающей шизофрению.
Иммунитет
Было обнаружено, что ERV связаны с болезнями не только через болезнетворные связи, но и через иммунитет. Частота возникновения ERV в длинных терминальных повторениях (LTR) скорее всего коррелирует с вирусной адаптацией, чтобы воспользоваться иммунитетом сигнальных путей, которые способствуют вирусной транскрипции и репликации. В исследовании, проведенном в 2016 году, изучалась польза древней вирусной ДНК, интегрированной в хозяина через сети генной регуляции, индуцированные интерферонами, ветвью врожденного иммунитета. Эти цитокины первыми реагируют на вирусную инфекцию и также важны для иммунонаблюдения за злокачественными клетками. Предполагается, что ERV действуют как цис-регуляторные элементы, но большая часть адаптивных последствий этого для определенных физиологических функций все еще неизвестна. Существуют данные, подтверждающие общую роль ERV в регуляции реакции человека на интерферон, в частности на гамма-интерферон (IFNG). Например, было обнаружено, что стимулируемые интерфероном гены значительно обогащены ERV, связанными с сигнальным преобразователем и активатором транскрипции 1 (STAT1) и/ или регуляторным фактором интерферона (IRF1) в макрофагах CD14+.
Регулирование генов
Другая идея заключалась в том, что ERV из одного семейства играют роль в привлечении нескольких генов в одну и ту же сеть регуляции. Было обнаружено, что элементы MER41 обеспечивают дополнительное избыточное регуляторное усиление генов, расположенных вблизи мест связывания STAT1. Последствия трансмиссии между видами остаются неизученными и имеют опасный потенциал. Исследователи указали, что инфекция тканей человека PERVs очень возможна, особенно у лиц с ослабленным иммунитетом. Иммунодепрессированное состояние потенциально может позволить более быстрое и упорное размножение вирусной ДНК, и позже будет меньше трудно адаптироваться к передаче от человека к человеку. Хотя известные инфекционные патогены, присутствующие в донорском органе/ткани, могут быть устранены путем разведения стад, свободных от патогенов, неизвестные ретровирусы могут присутствовать в доноре. Эти ретровирусы часто латентны и бессимптомны у донора, но могут стать активными у реципиента. Некоторые примеры эндогенных вирусов, которые могут заражать и размножаться в клетках человека, - это бабуины (BaEV), кошки (RD114) и мыши. В клиническом исследовании, проведенном в 1999 году, было взято 160 пациентов, которые были обработаны с помощью различных живых тканей свиней, и не было обнаружено никаких признаков персистирующей инфекции PERV у 97% пациентов, у которых было достаточное количество ДНК для ПЦР для амплификации последовательностей PERV. В этом исследовании говорится, что ретроспективные исследования ограничены в определении истинной частоты инфекции или связанных с ней клинических симптомов. Он предложил использовать тщательно контролируемые перспективные испытания, которые обеспечат более полную и подробную оценку возможной трансмиссии PERV между видами и сравнение PERV.
Эндогенные ретровирусы человека
Эндогенные ретровирусы человека (ЭРВ) составляют значительную часть генома человека, примерно 98 000 элементов и фрагментов ЭРВ составляют 5-8%. Согласно исследованию, опубликованному в 2005 году, не было выявлено HERV, способных к репликации; все они, по-видимому, были дефектными, содержали крупные делеции или бессмысленные мутации (не верно для HERV K). Это связано с тем, что большинство HERV - это лишь следы первоначальных вирусов, которые впервые интегрировались миллионы лет назад. Анализ HERV-интеграций продолжается в рамках проекта "100 000 геномов". Исследование 2023 года показало, что HERV может пробудиться из спящего состояния и способствовать старению, которое может быть заблокировано нейтрализующими антителами. Эндогенные ретровирусы человека были первоначально обнаружены, когда человеческие геномные библиотеки были проверены в условиях низкой строгости с использованием зондов из ретровирусов животных или с использованием олигонуклеотидов с сходством с последовательностями вирусов. Сами семейства называются менее однородным образом, с смесью названий, основанных на экзогенном ретровирусе, первичной тРНК (HERV W, HERV K) или каком-то соседнем гене (HERV ADP), номере клона (HERV S71) или некотором аминокислотном мотиве (HERV FRD). Предлагаемая номенклатура направлена на очистку иногда парафилетических стандартов. Традиционно, возраст HERV оценивается путем сравнения 5' и 3' LTR HERV; однако, этот метод имеет значение только для полной длины HERV. Недавний метод, называемый датированием поперечным сечением, использует вариации в пределах одного LTR для оценки возраста вставки HERV. Этот метод более точен в оценке возраста HERV и может использоваться для любых вставлений HERV. Поперечное датирование было использовано для того, чтобы предположить, что два представителя HERV K (HML2), HERV K106 и HERV K116, были активны в течение последних 800 000 лет и что HERV K106 мог заразить современных людей 150 000 лет назад. Однако отсутствие известных инфекционных представителей семейства HERV K (HML2) и отсутствие элементов с полным кодирующим потенциалом в опубликованной последовательности генома человека позволяет предположить, что в настоящее время активность семейства менее вероятна. В 2006 и 2007 годах исследователи, работающие независимо друг от друга во Франции и США, воссоздали функциональные версии HERV K (HML2).
Экспрессия белков HERV
Экспрессия HERV K, биологически активного семейства HERV, производит белки, обнаруженные в плаценте. Кроме того, экспрессия генов оболочки HERV W (ERVW 1) и HERV FRD (ERVFRD 1) производит синцитины, которые важны для образования клеточного слоя синцитиотрофобласта во время плацентогенеза путем индукции клеточного слияния клеток. Комитет по генной номенклатуре HUGO (HGNC) утверждает генные символы для транскрибированных человеческих ERV.
Функциональное воздействие
MER41. AIM2 - это HERV, который регулирует транскрипцию AIM2 (отсутствует в меланоме 2), который кодирует для датчика чужой цитозольной ДНК. Это действует как связывающее место для AIM2, что означает, что оно необходимо для транскрипции AIM2. Исследователи показали это, удалив MER41. AIM2 в клетках HeLa с использованием CRISPR/ Cas9, что приводит к не обнаруживаемому уровню транскрипта AIM2 в модифицированных клетках HeLa. Контрольные ячейки, в которых все еще содержался MER41. В результате исследования, проведенного в лаборатории, было обнаружено, что в некоторых группах, имеющих AIM2 ERV, транскрипт AIM2 сохраняется в нормальном количестве. С точки зрения иммунитета, исследователи пришли к выводу, что MER41. AIM2 необходим для воспалительного ответа на инфекцию.
Иммунный ответ на HERV
Несмотря на то, что они были интегрированы в геномы позвоночных в течение миллионов лет, ERV представляют собой промежуточную стадию между экзогенными вирусами и геномом хозяина; предполагается, что иммунологическая толерантность к белкам и пептидам, полученным от HERV, несовершенна из-за эпигенетического заглушения HERV в тимусе и костном мозге, что предотвращает удаление всех специфических для HERV Т- и В-клеток. В качестве доказательства этого иммунизация приматами, не являющимися людьми, антигенами, полученными из ERV, привела к появлению сильной полифункциональной цитотоксической реакции Т-клеток, а также высоким титрам антител. Согласно филогенетическим исследованиям, среди 30 семейств HERV, существующих в геноме человека, элементы HERV K (HML 2), которые интегрировались в последнее время, являются наиболее нетронутыми и биологически активными формами. HERV K env и HERV H env, которые считаются новым классом антигенов, связанных с опухолью, способствуют сильному цитотоксическому реагированию Т- клеток у пациентов с различными типами рака. На уровне врожденного иммунного восприятия нуклеиновых кислот одноцепочечная РНК (ssRNA) и двойная цепочечная РНК (dsRNA), полученные из эндогенных ретровирусов, распознаются рецепторами распознавания паттернов (PRR). SsRNA могут быть ощущены рецепторами типа Toll-like TLR 7 и TLR 8, в результате чего стимулированные дендритные клетки (DC) и макрофаги выделяют IFN α, что наблюдалось для ssRNA, полученных из ВИЧ 1. DsRNA могут быть одним из наиболее иммуногенных патогенных молекулярных образцов, связанных с нуклеиновой кислотой (PAMP), поскольку они не встречаются в клетках в нормальном состоянии. ДзРНК, полученная HERV, может быть распознана по TLR 3, RIG I и MDA5; известно, что RIG I и MDA5 индуцируют ответ IFN типа I. При ретротранскрипции в ДНК ретровирусы могут быть обнаружены циклическим стимулятором синтеза GMP AMP генов интерферона (cGAS STING), что приводит к активации ядерного фактора каппа B (NF kB) и регуляторного фактора IFN 3 (IRF3), что, в свою очередь, вызывает ответ IFN типа I. DsDNA также может быть обнаружена ДНК-зависимым активатором регуляторных факторов IFN (DAI); гибриды ДНК: РНК могут быть распознаны TLR 9. Иммунологические исследования показали некоторые доказательства иммунных реакций Т-клеток против HERV у инфицированных ВИЧ людей. Гипотеза о том, что ВИЧ вызывает экспрессию HERV в инфицированных ВИЧ клетках, привела к предложению, что вакцина, нацеленная на антигены HERV, может специально устранить инфицированные ВИЧ клетки. Потенциальное преимущество этого нового подхода заключается в том, что, используя антигены HERV в качестве суррогатных маркеров ВИЧ-инфицированных клеток, он может обойти сложность, присущую прямому нацелению на широко известные разнообразные и быстро мутирующие антигены ВИЧ.
Immunological studies have shown some evidence for T cell immune responses against HERVs in HIV infected individuals. The hypothesis that HIV induces HERV expression in HIV infected cells led to the proposal that a vaccine targeting HERV antigens could specifically eliminate HIV infected cells. The potential advantage of this novel approach is that, by using HERV antigens as surrogate markers of HIV infected cells, it could circumvent the difficulty inherent in directly targeting notoriously diverse and fast mutating HIV antigens.
Создание филогенов
Поскольку большинство HERV не имеют функции, являются селективно нейтральными и очень распространены в геномах приматов, они легко служат филогенетическими маркерами для анализа связей. Их можно использовать для сравнения полиморфизмов интеграционного участка или эволюционирующих провирусных нуклеотидных последовательностей ортологов. Чтобы оценить, когда произошла интеграция, исследователи использовали расстояния от каждого филогенетического дерева, чтобы найти скорость молекулярной эволюции в каждом конкретном локусе. Также полезно, что ERV богаты геномами многих видов (т.е. растений, насекомых, моллюсков, рыб, грызунов, домашних животных и домашнего скота), потому что его применение может быть использовано для ответа на различные филогенетические вопросы.
Определение возраста провируса и временных точек событий разделения видов
Это достигается путем сравнения различных HERV из разных эволюционных периодов. Например, это исследование было сделано для различных гоминоидов, которые варьировались от людей до обезьян и обезьян. Это трудно сделать с PERV из-за большого разнообразия.
Эпигенетическая изменчивость
Исследователи могли бы анализировать отдельные эпигеномы и транскриптомы для изучения реактивации спящих транспозиционных элементов посредством эпигенетического высвобождения и их потенциальных связей с болезнями человека и изучения особенностей сетей генного регулирования.
Иммунологические проблемы ксенотрансплантации
О эффективном способе преодоления гиперактивного отторжения (HAR), который происходит после активации комплемента, инициированного ксенореактивными антителами, распознающими антигены галактозила альфа-1 3 галатозила (альфа- Гал) на донорском эпителии, известно мало.
Факторы риска HERV при генной терапии
Поскольку ретровирусы способны рекомбинироваться друг с другом и с другими эндогенными последовательностями ДНК, было бы полезно для генной терапии изучить потенциальные риски, которые могут вызвать HERV, если таковые имеются. Кроме того, способность рекомбинировать HERV может быть использована для интеграции в определенном месте путем включения последовательностей HERV в ретровирусные векторы.
Экспрессия гена HERV
Исследователи считают, что РНК и белки, кодируемые генами HERV, должны быть продолжены для изучения предполагаемой функции в физиологии клеток и в патологических условиях. Это имеет смысл изучить, чтобы более глубоко определить биологическое значение синтезированных белков.