Молекулярная архитектура и сохранение незрелого эндогенного ретровируса человека

Nature Communications, том 14, номер статьи: 5149 (2023) Цитировать эту статью

703 Доступа

11 Альтметрика

Подробности о метриках

Эндогенный ретровирус человека K (HERV-K) является самым недавно приобретенным эндогенным ретровирусом в геноме человека и активируется и экспрессируется при многих видах рака и боковом амиотрофическом склерозе. Мы представляем незрелую структуру капсида HERV-K с разрешением 3,2 Å, определенную по нативным вирусоподобным частицам с использованием криоэлектронной томографии и усреднения субтомограмм. Структура показывает гексамерную единицу, олигомеризованную посредством пучка из 6 спиралей, который стабилизирован небольшой молекулой, аналогичной IP6 в незрелом капсиде ВИЧ-1. Незрелая решетка HERV-K собирается с помощью высококонсервативных интерфейсов димеров и тримеров, что подробно описано с помощью полноатомного молекулярно-динамического моделирования и подтверждено мутационными исследованиями. Во время созревания HERV-K происходит большое конформационное изменение, опосредованное линкером между N-концевым и C-концевым доменами CA. Сравнение HERV-K и других структур незрелого капсида ретровирусов показывает высококонсервативный механизм сборки и созревания ретровирусов в разных родах и во времени эволюции.

Когда геном человека был впервые секвенирован, было обнаружено, что около 8% можно отнести к широкому классу эндогенных ретровирусов человека (HERV)1. Эти вирусы интегрировались в геном на протяжении миллионов лет, и большинство из них накопили мутации, что сделало их неинфекционными. HERV-K (от HML-1 до HML-10) — это самая недавно включенная и наиболее активная группа вирусов, особенно ее подгруппа HML-2. HERV-K присутствует в геноме сотнями копий, а некоторые копии HERV-K представляют собой полную открытую рамку считывания со всеми присутствующими структурными и регуляторными белками, но ни один из них не может завершить жизненный цикл вируса из-за мутаций в некоторых белках. Хотя HERV-K не экспрессируется в здоровых взрослых клетках, некоторые локусы активируются при различных видах рака2,3,4,5,6, при боковом амиотрофическом склерозе (БАС)7, во время инфекции ВИЧ-18 и совсем недавно в органах и тканях. старых приматов и мышей9,10. Когда копии HERV-K экспрессируются в этих клетках, они могут производить неинфекционные вирусоподобные частицы (VLP). Однако было показано, что консенсусная последовательность, основанная на десяти полноразмерных провирусах HERV-K, названная KERV-Kcon, продуцирует инфекционные вирионы11,12, жизненный цикл которых ингибируется различными факторами рестрикции, такими как тетерин и члены семейства APOBEC, которые ограничить экзогенные ретровирусы. Таким образом, HERV-K служит парадигмой для понимания архитектуры и свойств эндогенных ретровирусов, когда они были интегрированы в геном человека тысячи лет назад. Они представляют собой летопись окаменелостей, сохраненных в наших геномах, и обеспечивают модель сохранения, которая развивалась на протяжении миллионов лет взаимодействия между ретровирусами и их хозяевами. Более того, HERV-K также имеет медицинское значение, поскольку VLP HERV-K вызывают старение молодых клеток10, а ряд генов находится под определенным транскрипционным контролем со стороны локусов HERV-K во время онкогенеза13.

Филогенетически HERV-K принадлежит к бетаретровирусоподобной супергруппе, поскольку его последовательность наиболее сходна с вирусом опухоли молочной железы мышей (MMTV)14,15. Основной структурный белок Gag достаточен для того, чтобы HERV-K продуцировал незрелые VLP. При созревании Gag расщепляется своей протеазой на матрикс (MA, связывается с мембраной), p15, капсид (CA, образует внутреннее ядро), нуклеокапсид (NC, связывается с РНК) и три спейсерных пептида (SP1, QP1 и QP2). 16,17. Структура зрелого капсида HERV-K была недавно выяснена с помощью одночастичной криоЭМ с использованием in vitro сборок рекомбинантного капсидного белка HERV-Kcon (CA)18. Однако незрелая структура HERV-K Gag и ее сборка в виде незрелой решетки остаются неуловимыми.

Здесь мы представляем криоЭТ-исследование нативных незрелых VLP HERV-Kcon Gag, высвобожденных из клеток человека. Интересно, что VLP HERV-Kcon Gag намного крупнее, чем другие известные ретровирусы, и имеют значительно больший зазор между мембраной и капсидным слоем. Мы использовали криоЭТ и усреднение субтомограмм (STA) для определения структуры CA-домена HERV-K незрелого Gag с разрешением 3,2 Å. Его общая структура аналогична другим ретровирусам, демонстрируя сильную консервативность между эндогенными и экзогенными ретровирусами человека. Хотя отдельные N-концевые (NTD) и C-концевые (CTD) домены капсида структурно консервативны между зрелыми и незрелыми формами, шарнир между этими двумя доменами, однако, различен, что приводит к совершенно разным ориентациям NTD и CTD. и, следовательно, различные решетки для зрелого и незрелого HERV-K. Наличие консервативной плотности в верхней части 6-спирального пучка (6HB) незрелого гексамера СА, координируемого двумя кольцами консервативных остатков лизина, предполагает удивительно схожий механизм инозитолгексафосфатов (IP6) в сборке HERV-K и инфекции по сравнению с IP6 у ВИЧ-1 и других ретровирусов, таких как EIAV и RSV19,20,21.