未熟なヒト内因性レトロウイルスの分子構造と保存

Nature Communications volume 14、記事番号: 5149 (2023) この記事を引用

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11 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ヒト内因性レトロウイルス K (HERV-K) は、ヒトゲノム内で最も最近獲得された内因性レトロウイルスであり、多くの癌および筋萎縮性側索硬化症で活性化および発現されます。 我々は、クライオ電子トモグラフィーとサブトモグラム平均化を使用してネイティブウイルス様粒子から決定された未熟なHERV-Kキャプシド構造を3.2Åの分解能で提示します。 この構造は、6 ヘリックス束を介してオリゴマー化された 6 量体単位を示しており、これは未成熟 HIV-1 キャプシドの IP6 に類似した小分子によって安定化されています。 HERV-K の未成熟格子は、全原子分子動力学シミュレーションを通じて詳細に説明され、突然変異研究によって裏付けられているように、高度に保存された二量体および三量体界面を介して組み立てられます。 HERV-K の成熟中に、CA の N 末端ドメインと C 末端ドメインの間のリンカーによって媒介される大きな構造変化が発生します。 HERV-K と他のレトロウイルスの未熟カプシド構造を比較すると、属および進化の時期を超えてレトロウイルスの集合と成熟に関する高度に保存された機構が明らかになります。

ヒトゲノムが最初に配列決定されたとき、約 8% が​​ヒト内在性レトロウイルス (HERV) の広範なクラスに分類できることが判明しました1。 これらのウイルスは何百万年もかけてゲノムに組み込まれており、そのほとんどは変異を蓄積して非感染性になっています。 HERV-K (HML-1 ～ HML-10) は、最も最近組み込まれた最も活発なウイルス グループ、特にそのサブグループ HML-2 です。 HERV-K はゲノム内に数百のコピーで存在し、一部の HERV-K コピーは、存在するすべての構造タンパク質と制御タンパク質を含む完全なオープン リーディング フレームで構成されますが、一部のタンパク質の変異によりウイルスのライフサイクルを完了できるものはありません。 HERV-K は健康な成人細胞では発現されませんが、いくつかの遺伝子座はさまざまながん 2、3、4、5、6、筋萎縮性側索硬化症 (ALS) 7、HIV-1 感染中 8、そして最近では臓器や組織で上方制御されています。高齢の霊長類とマウスの9,10。 HERV-K コピーがこれらの細胞で発現されると、非感染性のウイルス様粒子 (VLP) が生成されることがあります。 しかし、HERV-K の 10 種類の完全長プロウイルスに基づく KERV-Kcon と呼ばれるコンセンサス配列は、感染性ビリオンを生成することが示されており 11,12、そのライフサイクルはテザリンや APOBEC ファミリーメンバーなどのさまざまな制限因子によって阻害されます。外因性レトロウイルスを制限します。 したがって、HERV-K は、数千年前にヒトゲノムに組み込まれたときの内因性レトロウイルスの構造と特性を理解するためのパラダイムとして機能します。 それらは私たちのゲノムに保存された化石記録を構成し、レトロウイルスとその宿主の間の何百万年もの相互作用を経て進化した保存パターンを提供します。 さらに、HERV-K VLP は若い細胞の老化を誘導し 10、多くの遺伝子は腫瘍形成中に HERV-K 遺伝子座による明確な転写制御下にあるため、HERV-K は医学的にも重要です 13。

HERV-K は、その配列がマウス乳腺腫瘍ウイルス (MMTV) に最も類似しているため、系統発生的にベータレトロウイルス様スーパーグループに属します 14,15。 主要構造タンパク質 Gag は、HERV-K が未成熟 VLP を生成するのに十分です。 成熟すると、Gag はプロテアーゼによってマトリックス (MA、膜に結合)、p15、カプシド (CA、内部コアを形成)、ヌクレオカプシド (NC、RNA に結合)、および 3 つのスペーサー ペプチド (SP1、QP1、および QP2) に切断されます。 16、17。 成熟 HERV-K キャプシド構造は、最近、組換え HERV-Kcon キャプシドタンパク質 (CA)18 の in vitro アセンブリを使用した単一粒子 cryoEM によって解明されました。 しかし、未熟なHERV-K Gag構造と未熟な格子としてのその集合体は依然としてとらえどころのないままである。

今回我々は、ヒト細胞から放出された天然の未熟なHERV-Kcon Gag VLPのcryoET研究を紹介する。 興味深いことに、HERV-Kcon Gag VLP は他の既知のレトロウイルスよりもはるかに大きく、膜とキャプシド層の間にかなり大きなギャップがあります。 我々は、cryoET およびサブトモグラム平均化 (STA) を使用して、未成熟 Gag の HERV-K CA ドメインの構造を 3.2 Å の分解能で決定しました。 その全体構造は他のレトロウイルスに類似しており、ヒトの内因性レトロウイルスと外因性レトロウイルスの間で強い保存性があることが示されています。 カプシドの個々の N 末端 (NTD) ドメインと C 末端 (CTD) ドメインは成熟型と未成熟型の間で構造的に保存されていますが、これら 2 つのドメイン間のヒンジは異なり、そのため NTD と CTD の配向が大きく異なります。その結果、成熟した HERV-K と未熟な HERV-K の格子が異なります。 未成熟 CA 六量体の 6 ヘリックス束 (6HB) の上部に、保存されたリジン残基の 2 つの環によって配位された保存された密度が存在することは、HERV-K 集合およびHIV-1 および他のレトロウイルス (EIAV や RSV19、20、21 など) の IP6 と比較した感染力。