Der Ursprung und die Evolution endogener Retroviren

Retrovirale Partikel beherbergen die vollständiges virales Genom in Form von RNA. Nach dem Eintritt in eine Zielzelle kann diese RNA eine Transformation durchlaufen, die als reverser Transkription bekannt ist, wobei sie in doppelsträngige DNA umgewandelt wird, die anschließend in das Genom des Wirts integriert wird. Diese integrierte virale DNA-Sequenz wird als Provirus bezeichnet und umfasst wesentliche Elemente wie einen Promotor, regulatorische Segmente und kodierende Sequenzen für sowohl Strukturproteine als auch Enzyme.

Typischerweise infizieren Retroviren somatische Zellen, aber es besteht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Retrovirus Keimzellen infizieren kann, wodurch es in den Genpool des Wirts gelangt. An diesem Punkt entwickelt sich das Provirus zu einem endogenen Retrovirus (ERVs). Das Schicksal der ERVs innerhalb einer Population hängt von den Kräften des genetischen Drifts und der natürlichen Selektion ab. Im Wesentlichen repräsentieren ERVs genetische Loci, die von exogenen Retroviren stammen und durch den Prozess der Endogenisierung in das Genom des Wirts integriert wurden. Diese Entitäten behalten den Titel ERVs, unabhängig von ihrer Fähigkeit, weiterhin infektiöse Viruspartikel zu produzieren. Über Millionen von Jahren haben viele ERV-Sequenzen ihre Fähigkeit zur Produktion von Viruspartikeln aufgrund angesammelter Mutationen verloren.

Umwelt-Exaptation und die Beziehung zwischen alten viralen Funktionen und aktuellen Genomfunktionen. (Johnson Welkin E, 2019)

Vielfalt der endogenen Retroviren (ERVs)

Endogene Retroviren teilen sich einen gemeinsamen Genomstruktur, erleichtert durch die Prozesse der reversen Transkription und Integration. Diese Prozesse führen zur Bildung von proviralen Sequenzen, die zwischen 5.000 und 10.000 Basenpaaren lang sind und typischerweise durch das Vorhandensein von langen terminalen Wiederholungssequenzen (LTRs) an beiden Enden gekennzeichnet sind. Diese LTR-Sequenzen dienen als wesentliche Elemente, die Promotoren für die provirale Expression, regulatorische Komponenten und cis-wirkende strukturelle Domänen umfassen, die für die Integration entscheidend sind.

Der genetische Inhalt von Retroviren besteht typischerweise aus:

• gag: verantwortlich für die Kodierung der Strukturproteine, die den Kern des Viruspartikels bilden.
• pro: beauftragt mit der Kodierung der viralen Protease.
• pol: die Gene für die reversen Transkriptase und Integrase beherbergend.
• env: verantwortlich für die Kodierung von Glykoproteinen, die für die Erleichterung der Fusion und des zellulären Eintritts unerlässlich sind.

Die terminale Wiederholungssequenz des LTR ist typischerweise in drei Segmente unterteilt, die von 5' nach 3' angeordnet sind: U3, R, U5.

Am 5'-Ende markiert die Verbindung zwischen U3 und R den Beginn der Transkription, während am 3'-Ende die Verbindung zwischen R und U5 das Ende der Transkription kennzeichnet.

Das U3-Segment liegt typischerweise im Bereich von 190 bis 1.200 Basenpaaren und enthält eine Vielzahl von strukturellen Elementen, einschließlich Promotoren, Enhancern und anderen regulatorischen Motiven. Diese Elemente haben die Fähigkeit, mit regulatorischen Faktoren der Wirtszelle zu interagieren und somit die Genexpression des Proviruses zu steuern.

Rekonstruktion und Analyse antiker endogener Retrovirus-Gene. (Johnson Welkin E, 2019)

Uralte Retroviren: Einblicke in die Wirtevolution

Endogene Retroviren (ERVs) sind genomische Überreste vergangener Retroviren und bieten einen einzigartigen Einblick in die Ko-Evolution von Retroviren und ihren Wirtsgenomen. Sie sind wertvolle Werkzeuge, um die Auswirkungen von Retroviren auf die Evolution der Wirte zu entschlüsseln.

Nehmen wir zum Beispiel HERV-K (HML-2), ein ERV, das in der menschliches Genom, das Neandertaler-Genom und das Denisova-Genom. Seine allgegenwärtige Präsenz deutet auf einen ancestralen retroviralen Ursprung innerhalb der menschlichen Linie hin. Im Gegensatz dazu bleibt es im Gorilla-Genom nicht fixiert und befindet sich in einem genetisch segregierten Zustand mit einer relativ vollständigen Sequenz. Dies weist auf eine fortlaufende Aktivität bei Gorillas hin, wobei diese Retroviren das Potenzial behalten, neue infektiöse Viruspartikel zu erzeugen.

ERVs, die mit Spumaviren assoziiert sind und in Meerestieren entdeckt wurden, bieten Einblicke in einen tiefergehenden historischen Kontext und deuten darauf hin, dass diese Viren Meerestiere bereits im Paläozoikum infiziert haben. Die Identifizierung von bisher nicht fixierten ERVs, wie CrERV-gamma bei Rehen, kann Licht auf die frühen Phasen der Endogenisierung werfen. Bemerkenswert ist, dass bei Koalas das Retrovirus KoRV sowohl endogenisierte, nicht-pathogene Sequenzen als auch Sequenzen aufweist, die noch nicht endogenisiert wurden und potenziell pathogen sein könnten. Die Analyse dieser Fälle trägt dazu bei, den Endogenisierungsprozess und den Einfluss des Virus auf die Evolution des Wirtsgenoms zu verstehen.

ERVs können auch als molekulare Uhren dienen, die die Schätzung des Integrationszeitpunkts ermöglichen und Einblicke in das Auftreten und die Verbreitung alter Retroviren bieten.

Hochgradig konservierte env-Gene: Einblicke in die Evolution

Unter den ältesten vollständig entdeckten env-Genen finden sich diejenigen innerhalb des Percomorpha-Gens von stachelfinnigen Fischen und des Primaten-HEMO-Gens, die seit Hunderten von Millionen Jahren bestehen. Ihre anhaltende Präsenz deutet auf eine bemerkenswerte Erhaltung und anhaltende negative natürliche Selektion hin, was auf ihre potenziell wichtigen zellulären Funktionen hindeutet.

Zum Beispiel könnte die Erhaltung des Percomorf-Gens nicht aus seiner Fähigkeit resultieren, viralen Eindringlingen zu widerstehen, sondern aus seiner Fähigkeit, rezeptorvermittelte Membranfusion zu induzieren. Andererseits, obwohl nicht mit Membranfusion assoziiert, exprimiert das HEMO-Gen das vollständige Env-Protein, das von zytosolischen Proteasen gespalten wird. Ein Teil des gespaltenen Produkts wird außerhalb der Zelle sezerniert und ist im Blut schwangerer Frauen sowie im Blut und Gewebe der Plazenta nachweisbar. Trotz dieser faszinierenden Erkenntnisse bleibt die genaue physiologische Rolle dieses Phänomens rätselhaft.

Env-Proteine, die von den meisten Retroviren kodiert werden, können grob in zwei Typen unterteilt werden: Gamma-Typ und Beta-Typ.

• Gamma-Typ dominiert bei Wirbeltieren.
• Der Beta-Typ ist bei Säugetieren verbreiteter.

Derzeit liegt der Schwerpunkt auf der Domestizierung von Env-Genen hauptsächlich auf dem Gamma-Typ. Diese Wahl dürfte darauf zurückzuführen sein, dass Gamma-Typ Env-Gene weniger anfällig für die Induktion von Zellfusion sind, was den Prozess der Domestizierung durch den Wirt vereinfacht.

Genomisches Imprinting der Domestikation

Innerhalb von ERV-Sequenzen ist das env-Gen, das für die Resistenz des Wirts gegen Viren verantwortlich ist, typischerweise von intermittierenden gag-, pro- und pol-Genen begleitet. Diese doppelte Beobachtung impliziert zwei wesentliche Aspekte: Das env-Gen ist stark konserviert und unterliegt einer anhaltenden negativen natürlichen Selektion, während mehrere andere Gene eine signifikante Anzahl zufälliger Substitutionen angesammelt haben.

Verschiedene Methoden zur Bewertung der natürlichen Selektion können eingesetzt werden, wie das dN:dS-Verhältnis, das das Verhältnis von nicht-synonymen zu synonymen Substitutionen misst. Ein Verhältnis von weniger als 1 weist auf negative natürliche Selektion hin, eine Gleichheit zu 1 deutet auf genetischen Drift hin, und ein Wert von mehr als 1 zeigt positive natürliche Selektion an. Negative und positive natürliche Selektion können innerhalb eines einzelnen Gens koexistieren; bestimmte Codons können positiver Selektion unterliegen, während andere negativer Selektion ausgesetzt sind, um die essentielle Proteinstruktur und -funktion aufrechtzuerhalten. Bemerkenswerterweise liegt für beide ERVs, percomorf und HEMO, das dN:dS-Verhältnis unter 1, was darauf hindeutet, dass sie tatsächlich negativer natürlicher Selektion unterliegen. Im Gegensatz dazu war fv1 einer anhaltenden positiven natürlichen Selektion ausgesetzt, zusammen mit zielgerichtetem intrabranchealem Selektionsdruck.

Wenn das Env-Gen eine entscheidende Rolle in der Artenentwicklung spielt, sollte es stark konserviert bleiben und einem anhaltenden negativen Selektionsdruck ausgesetzt sein. Wenn seine Hauptfunktion jedoch darin besteht, exogene retrovirale Invasionen zu hemmen, sollte der Selektionsdruck gegen Antiviren zyklische Muster aufweisen, die mit dem Auftreten exogener Viren zunehmen und abnehmen oder sich ändern, wenn exogene Viren aussterben. Die Ergebnisse der Studie bestätigen diese Hypothese, da Syncytine, die mit der Entwicklung der Plazenta verbunden sind, bereits vor 12 bis 80 Millionen Jahren entstanden sind, während bestimmte Env-Gene, die sich auf den Widerstand gegen virale Invasionen konzentrieren, relativ neu sind, mit Ereignissen, die später als vor 20 Millionen Jahren auftraten.

Domestikation von nicht-kodierenden Elementen

Proto-Viren und ERVs haben die Fähigkeit, die regulierte Expression von Genen zu beeinflussen, die sich in wenigen Kilobasen ihrer Umgebung befinden. ERV-LTRs können als Promotoren oder Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren dienen und potenziell beitragen. lange nicht-kodierende RNAs (lncRNAs) die als regulatorische Sequenzen fungieren. Diese dynamische Akquisition und der Verlust von ERV-regulatorischen Sequenzen während der Evolution ermöglichen es selbst eng verwandten Arten, signifikante phänotypische Vielfalt zu zeigen.

Mehrere Schlüsselfunktionen von ERVs können zur Evolution der regulatorischen Netzwerke von Wirtsgenen beitragen.

• LTR-Sequenzen weisen eine hohe Dichte an regulatorischen Elementen auf, einschließlich Promotoren und Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren. Die Beschaffenheit dieser Sequenzen spiegelt die Eigenschaften der ursprünglichen Viren zum Zeitpunkt der Integration wider, einschließlich Faktoren wie Wirt- und Gewebespezifität.
• Die retrovirale Integration, obwohl nicht vollständig zielsequenzspezifisch, neigt dazu, Transkriptionseinheiten und Regionen mit Promotoren im Wirtsgenom zu bevorzugen. Diese nicht zufällige Verteilung der während der Endogenisierung erzeugten Einfügesequenzen unterliegt verschiedenen evolutionären Kräften. Einige Sequenzen sind genetischer Drift oder negativer Selektion ausgesetzt und nehmen allmählich in der Population ab, während andere natürlicher Selektion unterliegen und in der Population fixiert werden, wodurch sie über die Zeit bestehen bleiben.
• Ähnliche LTR-Sequenzen können chromosomale ektopische Rekombination oder Genkonversion induzieren.
• Solo-LTR behält nur die retroviralen LTR-Sequenzen bei, während kodierende Sequenzen verloren gehen und epigenetische Modifikationen des Genoms, die durch diese Sequenzen verursacht werden, umgangen werden. Dies ermöglicht die Erhaltung des regulatorischen Potenzials der LTR-Sequenzen.

Referenz:

1. Johnson, Welkin E. "Ursprünge und evolutionäre Konsequenzen antiker endogener Retroviren." Nature Reviews Mikrobiologie 17.6 (2019): 355-370.