Architettura molecolare e conservazione di un retrovirus endogeno umano immaturo

Nature Communications volume 14, numero articolo: 5149 (2023) Citare questo articolo

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Il retrovirus endogeno umano K (HERV-K) è il retrovirus endogeno acquisito più recentemente nel genoma umano ed è attivato ed espresso in molti tumori e nella sclerosi laterale amiotrofica. Presentiamo la struttura immatura del capside HERV-K con una risoluzione di 3,2 Å determinata da particelle simili a virus native utilizzando la tomografia crioelettronica e la media del subtomogramma. La struttura mostra un'unità esamerica oligomerizzata attraverso un fascio di 6 eliche, che è stabilizzato da una piccola molecola analoga a IP6 nel capside immaturo dell'HIV-1. Il reticolo immaturo di HERV-K è assemblato tramite interfacce dimeri e trimeri altamente conservate, come dettagliato attraverso simulazioni di dinamica molecolare di tutti gli atomi e supportato da studi mutazionali. Un ampio cambiamento conformazionale mediato dal collegamento tra i domini N-terminale e C-terminale di CA si verifica durante la maturazione di HERV-K. Il confronto tra HERV-K e altre strutture capsidiche immature retrovirali rivela un meccanismo altamente conservato per l'assemblaggio e la maturazione dei retrovirus attraverso i generi e il tempo evolutivo.

Quando il genoma umano è stato sequenziato per la prima volta, si è scoperto che circa l'8% può essere classificato nell'ampia classe dei retrovirus endogeni umani (HERV)1. Questi virus si sono integrati nel genoma nel corso di milioni di anni e la maggior parte ha accumulato mutazioni che li rendono non infettivi. HERV-K (da HML-1 a HML-10) è il gruppo di virus incorporato più recentemente e più attivo, in particolare il suo sottogruppo HML-2. HERV-K è presente con centinaia di copie nel genoma e alcune copie HERV-K sono costituite da un open reading frame completo con tutte le proteine ​​strutturali e regolatrici presenti ma nessuna può completare un ciclo di vita virale a causa delle mutazioni in alcune proteine. Sebbene HERV-K non sia espresso nelle cellule adulte sane, alcuni loci risultano sovraregolati in vari tumori2,3,4,5,6, nella sclerosi laterale amiotrofica (SLA)7, durante l'infezione da HIV-18 e, più recentemente, in organi e tessuti di primati e topi anziani9,10. Quando le copie HERV-K vengono espresse in queste cellule, possono produrre particelle simili a virus (VLP) che non sono infettive. Tuttavia, è stato dimostrato che una sequenza consenso basata su dieci provirus di HERV-K a lunghezza intera, denominata KERV-Kcon, produce virioni infettivi11,12, il cui ciclo vitale è inibito da una varietà di fattori di restrizione come teterina e membri della famiglia APOBEC che limitare i retrovirus esogeni. Pertanto, HERV-K funge da paradigma per la comprensione dell’architettura e delle proprietà dei retrovirus endogeni quando integrati nel genoma umano migliaia di anni fa. Costituiscono una documentazione fossile salvata nei nostri genomi e forniscono un modello di conservazione che si è evoluto nel corso di milioni di anni di interazione tra i retrovirus e i loro ospiti. Inoltre, HERV-K è anche di importanza medica poiché le VLP di HERV-K inducono la senescenza nelle cellule giovani10 e numerosi geni sono sotto un preciso controllo trascrizionale da parte dei loci HERV-K durante la tumorigenesi13.

Filogeneticamente HERV-K appartiene al supergruppo simile ai betaretrovirus poiché la sua sequenza è molto simile al virus del tumore mammario del topo (MMTV)14,15. La principale proteina strutturale Gag è sufficiente affinché HERV-K produca VLP immature. Dopo la maturazione il Gag viene scisso dalla sua proteasi in matrice (MA, si lega alla membrana), p15, capside (CA, forma il nucleo interno), nucleocapside (NC, lega l'RNA) e tre peptidi spaziatori (SP1, QP1 e QP2) 16,17. La struttura matura del capside di HERV-K è stata recentemente chiarita mediante cryoEM a singola particella, utilizzando assemblaggi in vitro di proteina del capside di HERV-Kcon ricombinante (CA)18. Tuttavia, la struttura immatura del gag HERV-K e il suo assemblaggio come reticolo immaturo rimangono sfuggenti.

Qui presentiamo uno studio cryoET dei VLP nativi immaturi HERV-Kcon Gag rilasciati da cellule umane. È interessante notare che i VLP HERV-Kcon Gag sono molto più grandi di altri retrovirus conosciuti, con uno spazio sostanzialmente maggiore tra la membrana e lo strato del capside. Abbiamo utilizzato il cryoET e la media del subtomogramma (STA) per determinare la struttura del dominio CA HERV-K del Gag immaturo con una risoluzione di 3,2 Å. La sua struttura complessiva è analoga ad altri retrovirus, dimostrando una forte conservazione tra retrovirus umani endogeni ed esogeni. Mentre i singoli domini N-terminale (NTD) e C-terminale (CTD) del capside sono strutturalmente conservati tra le forme mature e immature, la cerniera tra questi due domini, tuttavia, è diversa, portando a orientamenti NTD e CTD molto diversi e di conseguenza reticoli distinti per l'HERV-K maturo e immaturo. La presenza di una densità conservata nella parte superiore del fascio di 6 eliche (6HB) dell'esamero CA immaturo, coordinata da due anelli di residui conservati di lisina, suggerisce un meccanismo notevolmente simile degli inositolo esafosfati (IP6) nell'assemblaggio di HERV-K e infezione rispetto a IP6 nell'HIV-1 e in altri retrovirus come EIAV e RSV19,20,21.