미성숙 인간 내인성 레트로바이러스의 분자 구조 및 보존

Nature Communications 14권, 기사 번호: 5149(2023) 이 기사 인용

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인간 내인성 레트로바이러스 K(HERV-K)는 인간 게놈에서 가장 최근에 획득된 내인성 레트로바이러스이며 많은 암과 근위축성 측삭 경화증에서 활성화되고 발현됩니다. 우리는 저온 전자 단층 촬영 및 서브토모그램 평균을 사용하여 기본 바이러스 유사 입자로부터 결정된 3.2Å 해상도의 미성숙 HERV-K 캡시드 구조를 제시합니다. 구조는 미성숙 HIV-1 캡시드에서 IP6과 유사한 작은 분자에 의해 안정화되는 6-나선 다발을 통해 올리고머화된 6량체 단위를 보여줍니다. HERV-K 미성숙 격자는 전체 원자 분자 역학 시뮬레이션을 통해 자세히 설명되고 돌연변이 연구에 의해 뒷받침되는 고도로 보존된 이량체 및 삼량체 인터페이스를 통해 조립됩니다. CA의 N-말단 도메인과 C-말단 도메인 사이의 링커에 의해 매개되는 큰 구조적 변화는 HERV-K 성숙 동안 발생합니다. HERV-K와 다른 레트로바이러스 미성숙 캡시드 구조를 비교하면 속과 진화 시간에 걸쳐 레트로바이러스의 조립 및 성숙을 위한 고도로 보존된 메커니즘이 드러납니다.

인간 게놈의 서열이 처음 분석되었을 때 ~8%가 광범위한 종류의 인간 내인성 레트로바이러스(HERV)로 분류될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다1. 이러한 바이러스는 수백만 년에 걸쳐 게놈에 통합되었으며 대부분은 돌연변이를 축적하여 비감염성을 갖게 되었습니다. HERV-K(HML-1 ~ HML-10)는 가장 최근에 통합되었으며 가장 활동적인 바이러스 그룹, 특히 하위 그룹인 HML-2입니다. HERV-K는 게놈에 수백 개의 복사본이 존재하며 일부 HERV-K 복사본은 모든 구조 및 조절 단백질이 존재하는 완전한 개방형 판독 프레임으로 구성되지만 일부 단백질의 돌연변이로 인해 바이러스 생활주기를 완료할 수 없습니다. HERV-K는 건강한 성인 세포에서는 발현되지 않지만, 일부 유전자좌는 다양한 암2,3,4,5,6, 근위축성 측삭 경화증(ALS)7, HIV-1 감염 중8, 그리고 가장 최근에는 장기 및 조직에서 상향조절됩니다. 나이든 영장류와 생쥐9,10. HERV-K 복사본이 이러한 세포에서 발현되면 비감염성 바이러스 유사 입자(VLP)를 생성할 수 있습니다. 그러나 KERV-Kcon이라고 불리는 HERV-K의 10개 전장 프로바이러스를 기반으로 한 컨센서스 시퀀스는 감염성 비리온을 생성하는 것으로 나타났습니다. 이 바이러스의 수명 주기는 테더린 및 APOBEC 계열 구성원과 같은 다양한 제한 요소에 의해 억제됩니다. 외인성 레트로바이러스를 제한합니다. 따라서 HERV-K는 수천년 전 인간 게놈에 통합되었을 때 내인성 레트로바이러스의 구조와 특성을 이해하는 패러다임 역할을 합니다. 그들은 우리 게놈에 저장된 화석 기록을 구성하고 레트로바이러스와 그 숙주 사이의 수백만 년 간의 상호 작용을 통해 진화해 온 보존 패턴을 제공합니다. 더욱이, HERV-K VLP는 젊은 세포의 노화를 유도하고10 종양 형성 동안 다수의 유전자가 HERV-K 유전자좌에 의해 확실한 전사 제어를 받기 때문에 HERV-K는 의학적으로 중요합니다13.

계통발생학적으로 HERV-K는 서열이 마우스 유방 종양 바이러스(MMTV)와 가장 유사하기 때문에 베타레트로바이러스 유사 슈퍼그룹에 속합니다14,15. 주요 구조 단백질인 Gag는 HERV-K가 미성숙 VLP를 생성하는 데 충분합니다. 성숙되면 Gag는 프로테아제에 의해 매트릭스(MA, 막에 결합), p15, 캡시드(CA, 내부 코어 형성), 뉴클레오캡시드(NC, RNA에 결합) 및 3개의 스페이서 펩타이드(SP1, QP1 및 QP2)로 절단됩니다. 16,17. 성숙한 HERV-K 캡시드 구조는 최근 재조합 HERV-Kcon 캡시드 단백질(CA)18의 시험관 내 어셈블리를 사용하여 단일 입자 cryoEM에 의해 밝혀졌습니다. 그러나 미성숙 HERV-K Gag 구조와 미성숙 격자로서의 조립은 아직 파악하기 어렵습니다.

여기에서는 인간 세포에서 방출된 원시 미성숙 HERV-Kcon Gag VLP에 대한 cryoET 연구를 제시합니다. 흥미롭게도 HERV-Kcon Gag VLP는 알려진 다른 레트로바이러스보다 훨씬 크며 막과 캡시드 층 사이의 간격이 훨씬 더 큽니다. 우리는 3.2Å 분해능에서 미성숙 Gag의 HERV-K CA 도메인 구조를 결정하기 위해 cryoET 및 STA(subtomogram averaging)를 사용했습니다. 전체적인 구조는 다른 레트로바이러스와 유사하여 인간 내인성 레트로바이러스와 외인성 레트로바이러스 사이의 강력한 보존성을 보여줍니다. 캡시드의 개별 N 말단(NTD) 및 C 말단(CTD) 도메인은 성숙한 형태와 미성숙 형태 사이에서 구조적으로 보존되지만, 이 두 도메인 사이의 힌지는 다르기 때문에 NTD와 CTD 방향이 크게 달라집니다. 결과적으로 성숙한 HERV-K와 미성숙 HERV-K에 대한 뚜렷한 격자. 보존된 리신 잔기의 두 고리에 의해 조정되는 미성숙 CA 육량체의 6-나선 다발(6HB) 상단에 보존된 밀도가 존재한다는 것은 HERV-K 조립 및 HIV-1 및 EIAV 및 RSV19,20,21와 같은 기타 레트로바이러스의 IP6에 비해 감염률이 높습니다.