Endogenous retroviruses: structure and function in the human genome

Full Text

В 1990 г. была посмертно опубликована уникальная монография академика АМН СССР В.М. Жданова [1]. Фактически, монография представляет собой уникальную попытку анализа и систематизации представителей царства Вирусов (Virae) в соответствии с их происхождением и эволюцией. Конец 1980-х годов стал переломным в развитии вирусологии и предшествовал старту в 1990 г. программы «Г еном человека» [2]. До понимания роли эндогенных ретровирусов (ЭРВ) в геноме животных и человека оставалось не так уж и много времени. В.М. Жданов успел внести существенный вклад и в этот раздел фундаментальной вирусологии [1-3]. Поэтому данная статья, посвящённая памяти В.М. Жданова, является попыткой связать во времени удивительную атмосферу 1970-1980 гг. в отечественной молекулярной биологии и вирусологии с уникальными открытиями в области изучения судьбы, эволюции и внутригеномной функционализации вирусных геномов и их элементов в геноме животных и человека [4]. Активное развитие исследований по ЭРВ относится к 1960-1970 гг.. В эти годы были идентифицированы три типа ЭРВ : вирус лейкоза птиц, вирус лейкоза мышей и вирус молочной железы мышей [3-5]. ЭРВ приматов и человека представлены полноценными копиями интегрированных вирусных геномов [6, 7], псевдогенами и мобильными генетическими элементами различных семейств: LTR/ERV, LINE, SINE/Alu, SINE/MIR, LTR/ERV [7-14]. Транскрипты последовательностей ЭРВ идентифицированы в микроРНК и некодирующих РНК транскриптома и, в частности, - в vlincRNA (very long intergenic non-coding RNA (протяжённая интергенная некодирующая РНК) [7-14]. Понимание функций ЭРВ позволило до определенной степени объяснить главный парадокс генома человека: несоответствие между объемом информации в геноме и многократном превышении объема генетической информации в транскриптоме. Мобильные генетические элементы вирусного происхождения оказались вовлеченными в активное «редактирование» так называемой некодирующей части транскриптома [8-10, 14, 15]. Исследования генома человека показали, что инфицирование и эндогенизация геномов ЭРВ и других мобильных генетических элементов ретровирусного происхождения, сыграли критическую роль в эволюции человека [4-7]. С точки зрения современной молекулярной вирусологии, данная проблема имеет непосредственное отношение к роли вирусов в контроле физиологических процессов и в развитии основных заболеваний человека. С экспрессией ЭРВ связывается развитие онкологических заболеваний, аутоиммунных процессов, патологии беременности и даже таких психических заболеваний, как шизофрения [6, 7, 14]. Поэтому прогресс в этой области непосредственно связан с предстоящей революцией в понимании основ патологии человека и создании новых подходов к терапии наиболее значимых для общества заболеваний. 104 Эндогенные ретровирусы. Необходимо отметить, что в 1970-ые гг. между АМН СССР и профильными научными учреждениями США работала постоянная Комиссия по сотрудничеству в области вирусологии. В работе этой Комиссии принимали участие ведущие специалисты США и СССР. Совещания Комиссии проходили в Институте вирусологии им. Д.И. Ивановского. В составе Комиссии были крупнейшие американские вирусологи, и среди них преобладали специалисты в области исследования ретровирусов (РВ). В.М. Жданов был руководителем Комиссии с советской стороны. Комиссия была независимой от ВОЗ и работала самостоятельно. Это был очень влиятельный межгосударственный орган, ориентированный, главным образом, на научные исследования и развитие представлений в области потенциальной опасности вирусов для человечества. Аналогов такого международного взаимодействия в настоящее время нет. Исследования ЭРВ человека и приматов относятся к концу 1960-х - началу 1970-х гг.. В СССР исследования ЭРВ проводились под руководством академиков АМН СССР В.М. Жданова и Б.А. Лапина. Значительный вклад в эти исследования внесли известные вирусологи проф. А.Ф. Быковский и проф. А.Д. Альтштейн [1-3]. Позднее в рамках проекта «Г еном человека» исследования ЭРВ и ретропозонов были продолжены академиком РАН Е.Д. Свердловым и группой специалистов в МГУ [8, 15]. И только в последние годы стала очевидной значительная роль этих исследований в понимании основ патологии человека: от патологии беременности до причин возникновения и развития злокачественных опухолей и нейродегенеративных заболеваний [4-7]. Открытие ЭРВ и их избирательной экспрессии в плаценте обратило на себя внимание возможностью реализации на этом уровне специфических механизмов иммуносупрессии, свойственных РВ [16, 17]. Однако, каким образом реализуется этот механизм, долгое время оставалось неизвестным. ЭРВ, по данным исследований структуры генома человека и животных, относились к «паразитическими» генетическим элементам, свойственным большинству видов животных [4-7]. Известно, что от 5 до 20 % генома человека представлено последовательностями ЭРВ [4-7]. Изучение происхождения ЭРВ показало, что функционально важные типы ЭРВ, подвергшиеся длительной эволюции в геноме хозяина (приматов или человека), принадлежат к различным родам РВ. На рис. 1 представлено эволюционное древо РВ [4]. РВ представляют собой сем. Retroviridae, геном которых представлен РНК, репликативный цикл которых основан на использовании обратной транскрипции и интеграции вирусной геномной провирусной ДНК в геном клетки-хозяина [4-7]. 105 Эпсилон-ретровирусы * (простейшие) SnRV Дельта-ретровирусы BLV Гамма-ретрс (простейі Рисунок 1. Филогенетическое происхождение ретровирусов [4]. Сокращенные названия вирусов даны в соответствии с международной номенклатурой [4]. На рис. 1 красными кружками выделены гамма- и бетаретровирусы, к которым относятся HERV-W (HERV-FRD) и HERV-K, играющие важную функциональную роль в морфогенезе плаценты и онкопатологии человека [4-7]. ЭРВ в геноме представлены разнообразными полидисперсными последовательностями, среди которых идентифицированы полноценные открытые рамки считывания, кодирующие вирусные белки, или их гомологи, и регуляторные элементы, известные, как LTR - long terminal repeats - длинные концевые повторы, мобильные генетические элементы LINE и SINE [5-16]. В отношении функциональной активности ЭРВ в плаценте представляют интерес два рода РВ - гамма и бета (HERV-W и HERV-FRD) (см. рис. 1) [4, 18]. Ниже, в табл. 1, приводятся основные представители ЭРВ и их возможные функции в плаценте. Важнейшими из функций ЭРВ в плаценте относятся к функциям слияния трофобластов и их дифференцировки в условиях индуцированного ЭРВ синцитиообразования. Эти функции эволюционно «закрепились» за ЭРВ человека ERVWE1 (HERV-W) и HERV-FRD [6, 16]. Отдельные элементы ЭРВ относятся к мобильным генетическим элементам -ретротранспозонам, участвующим в регуляции активности генов [4-7, 8, 15], которые в процессе дивергенции разделились на отдельные семейства и подсемейства с чётко дифференцированными функциями [5, 18]. В табл. 2 представлены основные, наиболее Роль ЭРВ в репродуктивных функциях животных и человека. 106 распространённые мобильные генетические элементы (МГБ) и их представительство в геноме человека. Таблица 1. Эндогенные ретровирусы человека (HERV), играющие роль в репродуктивных функциях и, в частности, в плаценте . HERV Роль в репродукции ERVWE1 (HERV-W) Дифференцировка синцитиобластов и слияние клеток с образованием синцития (env = синцитин-1). HERV-FRD Образование синцитиобластов путём слияния (трофобластов). Также играют роль в плацентарной защите от отторжения плода материнской иммунной системы (env = синцитину-2). Преимущественно этот белок выполняет иммуносупрессивные функции в синцитиотрофобластах. ERV-3 Фьюжин и образование синцитиобластов и возможный вклад в развитие функционально активной плаценты. Оценивается как не очень важный компонент генома. HERV-K Экспрессируется в синцитиотрофобластов. Возможен вклад в развитие плаценты и иммунную протекцию плода. HERV-E.PTN HERV интегрированный в ген, кодирующий ростовой фактор плейотрофин. Инсерция приводит к появлению нового промотора, направляющего экспрессию функциональных HERV-PTN транскриптов, которые транскрибируются и накапливаются в пролиферирующих и инвазивных трофобластов в беременной матке или в злокачественных трофобластах хорионкарциномы (хорионэпителиомы). LTR10A-HERV-1 Эксклюзивный плацентарный ген, кодирующий NO-синтазу (NOS3). HERV-H7/F(XA34) Специфический для трофобластов транскрипт с пониженной экспрессией в плаценте беременных женщин, страдающих гипертензией (преэклампсия), вызванной беременностью. HERV-Fb1 Специфический для трофобластов транскрипт с пониженной экспрессией в плаценте женщин, страдающих гипертензией (преэклампсия), вызванной беременностью. HERV-HML6-c14 Специфический для трофобластов транскрипт. В отличие от синцитина, HERV-Fb1 и HERV-H7/F (XA34) этот транскрипт локализуется в ядре и его экспрессия возрастает в плаценте у беременных женщин с гипертензией (преэксалмпсия). Неизвестный HERV LTR Специфический для плаценты человека ген семейства Инсулинов-Ш^4. В процессе дифференцировки цитотрофобластов в синцитий трофобласты ген INSL4 экспрессируется на высоком уровне под контролем HERV-3LTR. HERV-E LTR Вносит вклад в экспрессию гена рецептора эндотелина В - одного из двух рецепторов, опосредующих вазоконстрикторный эффект Эндотелинов. HERV-E LTR Альтернативный тканево-специфический транскрипционный регулятор гена человека Opitz (Midl1), кодирующего белок, ассоциированный с микротрубулярным аппаратом цитоскелета. * экспрессирующиеся в плаценте гены env ЭРВ относятся к синцитинам 1 и 2 и являются гомологами вирусных белков env [5]. 107 Таблица 2. Мобильные генетические элементы, диспергированные в геноме человека [5]. Повторяющиеся мобильные генетические элементы Представительство в геноме человека число копий содержание в геноме человека (%) ДНК- транспозоны 294 3 LTR - ретротранспозоны 443 8 LTR-независимые ретротранспозоны: 2 426 34 LINE - (длинный диспергированный повтор) 868 21 SINE - (короткий диспергированный повтор) 1 558 13 Мобильные диспергированные генетические элементы играют важнейшую роль в регуляции экспрессии генов животных и человека и вовлечены в процессы транскрипционного и посттранскрипционного редактирования путём репрограммирования некодирующего транскриптома [10-14]. Происхождение и эволюция ЭРВ. Известные РВ условно можно классифицировать на две основные группы: > с простой организацией геномов: альфа-, бета-, гамма- и эпсилонретровирусы; ^ со сложной организацией геномов: лентивирусы, дельтавирусы, спумавирусы (см. рис. 1) [6-8, 11]. Следует отметить, что только простейшие из РВ стали «эндогенными в их хозяевах» [5]. К этим вирусам относятся ЭРВ человека. В пределах обширной популяции ЭРВ генома человека произошла эволюция двух представителей этих вирусов, в результате которой гены env были кооптированы для выполнения необходимых хозяину его репродуктивных функциях. Эти белки получили название синцитины [7]. На рис. 2 представлены общие характеристики генома, интегрированной провирусной ДНК, физическая карта белка env [4]. Интегрированная в клеточные хромосомы провирусная ДНК ЭРВ фланкирована длинными концевыми обращенными повторами (LTR) и кодирует 4 основных белка: gag, pro, pol и env. Некоторые представители ретровирусов кодируют также неструктурные белки (rev, tat, nef и др.), синтез которых осуществляется через сплайсинг транскриптов вирусного генома [5, 6]. Эти ретровирусы относятся к инфекционным вирусам, вызывающим заболевания животных и человека. 108 А В Рисунок 2. Блок иллюстраций строения иммуносупрессивного домена [8]. свойств ЭРВ (HERV-W), белка env и и На рис. 2.А представлена структура и обратная транскрипция полноразмерной геномной РНК ЭРВ, фланкированной с 5'-и 3'- концов последовательностями U5 и U3, соответственно. На концевых участках после этих последовательностей локализованы прямые повторяющиеся участки - прямые повторы - R (repeats). В процессе синтеза ДНК (обратная транскрипция) на 109 5'-и 3'- концах образуются так называемые LTR - длинные концевые повторы: U3-R-U5. LTR содержат сильные промоторы и энхансеры транскрипции, а также регуляторные последовательности для связывания транскрипционных факторов, включая такие, как рецептор стероидов, факторы процессинга и полиаденилирования. LTR также являются участниками процессов интеграции, катализируемых вирусной интегразой. На стыке LTR c кодирующей последовательностью обозначен сайт связывания природного праймера (тРНК) - PBS. На рис. 2.Б представлена физическая карта интегрированной в геном провирусной, ДНК HERV с картой одного из продуктов экспрессии - белка env: обозначены основные домены, начиная с сигнального пептида (SP) и доменов ПД и ТМ, разделенных сайтом расщепления протеазой. Рис. 2.В содержит карту расширенного ТМ домена, частично экспонированного над премембранной областью. На рисунке обозначены домены ПС - пептид слияния, ИСД -иммуносупрессивный домен и ТМД - трансмембранный (гидрофобная часть) домен. Коровый пептид ИСД выделен в рамку: R-LDLL---GG-CX6CC. Последовательность CX6CC -консервативный участок ИСД последовательности, предположительно относящийся с области инициации фьюжина. Гомологи белков env ЭРВ - синцитины в результате дивергентной эволюции разделились на две линии: с доминантными фьюзогенными свойствами и сильно выраженной иммуносупрессивной активностью (envHERV-W - синцитин-1 и envHERV-FRD - синцитин-2) [16, 18-20]. На рис. 3 представлено филогенетическое древо белков env ЭРВ и синцитинов [20]. Синцитины 1 и 2 (Syncytin 1, 2 на рис. 3) являются гомологами, белка env ЭРВ человека: envHERV-W (синцитин-1) и envHERV-FRD (синцитин-2). На рис. 3 красным цветом выделен синцитин-Car! (Carnivora), который относится к наиболее ранним предшественникам синцитинов плацентарных животных и человека [ 18-20]. Известно, что от 8,0 до 20 % последовательностей генома человека представлены ретровирусными генами [5-7, 16]. Множественная интеграция ретровирусных геномов произошла на определенном этапе эволюции млекопитающих и закрепилась с выделением полезных для эволюции признаков [2]. Первичное инфицирование половых клеток этими вирусами с течением времени привело к дифференцировке некоторых из интегрированных генов первичных ретровирусов в направлении обеспечения репродуктивной функции млекопитающих [6, 19-20]. 110 33 68 85 100 54 100 100 98 51 91 87 100 71 100 HERV-R Felis-Env2 Canis-Env2 HERV-Rb Felis-Env1 Canis-Env1 ■ HERV-FRD Mm Syncytin-B ■ Wim Syncytin-A - Fells-Env3 100 82 100 100 100 100 HERV-W - Canis-Env3 MPMV BaEV RD114 Felis-Env6 - Env-Ory1 -*- ■ Felis-Env5 Felis-Env4 (chrE1) і 77 100 С [ Syncytin-Car1 Syncytin-2 Syncytin-B Syncytin-A Syncytin-1 Рисунок 3. Филогенетическое древо белков env ЭРВ и происхождение синцитинов [20]. Syncytin-Ory1 40 100L Felis-Env4 (chrX) 100 I FeLV Felis-Env7 Felis-Env8 (chrA2) Felis-Env8 (chrlln_ACBE01496605) ■WloMLV - MmlAPE - FIV 100 100 0.1 MMTV ■HIV-1 -HERV-K Ретровирусы, синцитины и плацента. Изучение роли ЭРВ в норме и в патологических процессах свидетельствует о том, при выполнении необходимых для плаценты функций контроля морфогенеза и иммунной привилегии плода, их участие в развитии и прогрессировании опухолей также очевидно [7]. Как можно видеть в табл. 3, активная экспрессия ЭРВ свойственна опухолям репродуктивных органов человека или опухолям, имеющим эмбриональное происхождение. В связи с этим, следует подчеркнуть, что эти типы опухолей преимущественно относится к наиболее злокачественным, проявляющим агрессивный инвазивный рост и высокий метастатический потенциал. 111 Таблица 3. Наиболее распространённые ЭРВ человека и локализация их экспрессии в * нормальных и раковых клетках [5, 7]. Наименование семейства HERV Клеточная и тканевая локализация (экспрессии) HERV-E (HERV4.1, HML) Моноциты и плацента HERV-H (RTLV-H) Плацента, тератокарцинома, рак легких, семинома, лимфоидные клетки, рак мочевого пузыря HERV-Kb (HTDV) Клетки тератокарциномы, миелобласты (миелоидная лейкемия), семинома, лимфоидные клетки HERV-K(C4) Клетки рака простаты HERV-R (ERV3); SY1-4d Плацента, моноцитарная клеточная линия U-937, ткани плода ERV9 (XA34-38) Клеточная линии глиомы, плацента, тератокарцинома RR HERV-I Тератокарцинома яичников, клетки рака молочной железы 747D и MCF-7 * В расширенных обзорных статьях N. Bannert и R. Kurth представлено более детальное описание всех таксонов ЭрВ [5, 7, 18]. Роль мобильных генетических элементов ЭРВ в наследственной патологии и онкологии. К МГЭ ЭРВ относятся: LINE/L1, LINE/L2, SINE/Alu, SINE/MIR, LTR/ERV1, LTR/ERVK, LTR/ERVL, LTR/ER, DNA/hArlie. Функции МГЭ разнообразны и включают в себя регуляцию активности генов. В процессе эволюции эти элементы распространились по геному и способствовали перемещению невирусных промоторных элементов в пределах контролируемого локуса. Кроме этого, семейства элементов LINE, SINE/Alu, и LTR выявлены в последовательностях генома человека, кодирующих клеточные белки, значительная часть этих элементов локализуются в интронах (около 533 генов) [21]. LTR выполняют функции альтернативных промоторов, вовлечены в сплайсинг РНК. Исследуется роль этих элементов в развитии и физиологической активности мозга [12]. Наибольший интерес представляет роль МГЭ в наследственной патологии [5]. В частности, МГЭ путём инсерционного мутагенеза и рекомбинации вызывают наследственные мутации. Среди известных наследственных заболеваний гемофилия А, мышечная дистрофия (миопатии), миелопролиферативные заболевания, нейрофиброматоз. С МГЭ LINE1 связана высокая частота развития рака молочной железы и прямой кишки [5]. Наиболее известные мутации, вызванные транспозицией МГЭ, представлены в табл. 4. 112 Изучение роли МГЭ в геноме человека свидетельствует о том, что их важнейшей функцией является контроль и ремоделирование некодирующей РНК - первично неорганизованной части транскриптома с образованием транслируемых продуктов экспрессии генома, определяющей эпигеномную наследственность и обеспечивающую пластичность генома [12, 13]. Таблица 4. Заболевания, вызванные инсерциями и рекомбинацией МГЭ в генах человека. МГЭ Ген МГЭ Функциональная роль LINE-1 Фактор VIII Г емофилия A LINE-1 Дистрофин Миопатия (Мышечная дистрофия SINE Фукутин Мышечная дистрофия Alu NF1 Нейрофиброматоз LINE-1 myc* Рак молочной железы LINE-1 APC* Рак прямой кишки HERV-K FGFR1-киназа Миелопролиферативные заболевания. HERV-K AZFa локус мужское бесплодие Мужское бесплодие Заключение. Таким образом, открытие ЭРВ и вирусспецифических МГЭ привело к открытию функций, эволюционное становление которых непосредственно связано с эволюцией этих вирусов в геноме хозяина. В результате эволюции в составе генома хозяина ЭРВ разделились на две основные ветви: функционализированные и адаптированные к функциям генома хозяина индивидуальные гены и совокупность семейств МГЭ, обеспечивающих не только регуляцию экспрессии генов хозяина, но и ремоделирующих гигантский объём информации, содержащийся в некодирующих РНК-транскриптах и, фактически, составляющих основу эпигеномной наследственности. Пластичность и совершенство генома высших организмов обеспечивается, в значительной степени, именно этими механизмами [2, 9, 11]. Не будет преувеличением утверждение, что первичная интеграция вирусных геномов ЭРВ в геном высших организмов сначала привела к генетическому апокалипсису, а затем в течение продолжительной эволюции (от 45 до 85 млн. лет) к поразительному совершенству геномов современных млекопитающих и, в первую очередь, - человека [2, 17, 18]. Фактически, 113 удивительные свойства ЭРВ создали условия в геноме человека для развития информационной основы развития и генетического контроля человеческого языка и связанных с ним культуры и социального развития [12]. Возвращаясь к книге В.М. Жданова [1] об эволюции вирусов следует отметить, что важнейшую роль в эволюции вирусов играла последовательная адаптация к определённому хозяину, включая промежуточных хозяев. Поэтому неудивительно, что после интеграции в геном хозяина вирусы стали «инструментом» эволюции. Кроме этого, концепция эндогенной геномной эволюции ЭРВ и невероятно высокая генетическая лабильность транскриптома высших животных, вероятно, играли важнейшую роль в происхождении и вирусов. Нельзя также не отметить, что приоритет в исследованиях МГЭ принадлежит отечественным учёным [22]. Расшифровка механизмов транскрипции генома эукариот и открытие гигантских ядерных РНК в начале 1970-х гг. и последующие исследования МГЭ показали, что избыточная транскрипция генома непосредственно связана с МГЭ. Этот цикл работ представлен в коллективной статье сотрудников академика Г.П. Георгиева [22].

References

Supplementary files