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病毒對人類健康構成持續(xù)威脅，并且可能是免疫適應的強大進化驅動力。因此，確定可防止病毒感染的宿主因素至關重要。源自古老的逆轉錄病毒生殖系感染的內源性逆轉錄病毒 (ERV) 是哺乳動物基因組的豐富成分。ERV序列是進化中新基因的來源。ERV衍生的包膜 (ENV) 可以通過與外源病毒的靶細胞受體結合并競爭其作為抗病毒因子。今天小編就帶大家閱讀一篇2022年10月28日發(fā)表在Science（IF:63.714）的一篇文獻。看看作者又會帶給我們那些新的發(fā)現(xiàn)！
來自逆轉錄病毒的人源蛋白的進化和抗病毒活性
Evolution and antiviral activity of a human protein of retroviral origin
文章概括
內源性逆轉錄病毒是人類生殖系感染的豐富組成部分，來自古代生殖系感染的人類基因組。 在幾種哺乳動物中，由這些元件編碼的包膜蛋白可以抵御外源性病毒，但這種活性尚未在人類內源性表達的包膜中得到證實。作者發(fā)現(xiàn)人類基因組含有大量的包膜衍生序列，有可能限制逆轉錄病毒感染。為了測試這一點，作者對一種包膜衍生蛋白即：Suppressyn進行了表征。 發(fā)現(xiàn)Suppressyn使用其祖先的逆轉錄病毒啟動子在人類植入前的胚胎和發(fā)育中的胎盤中表達。細胞培養(yǎng)分析表明，Suppressyn 及其類人猿直系同源物可以限制現(xiàn)存哺乳動物D型逆轉錄病毒的感染。 本研究的數(shù)據(jù)支持用于宿主免疫和基因組防御的逆轉錄病毒包膜共同選擇的通用模型。
主要結果
抗病毒ENV衍生的開放閱讀框的表達情況
作者研究了人類基因組以尋找潛在的抗病毒ENV衍生的開放閱讀框 (envORFs)，它編碼至少 70 個氨基酸，預計包括受體結合表面 (SU) 結構域。該搜索確定了 1507個獨特的envORF，包括目前注釋為人類基因的約20個ENV衍生序列，例如 Supppressyn (SUPYN)、Syncytin-1 和 Syncytin-2。這個數(shù)字與之前對 ERV 衍生的 ORF 的全基因組掃描一致，預測了1731個與逆轉錄病毒包膜同源的ORF。接下來，作者挖掘了從人類胚胎和各種成人組織產(chǎn)生的轉錄組數(shù)據(jù)集，并觀察到約44%的 envORF在至少一種所調查的細胞類型中顯示出RNA表達的證據(jù)（圖1A）。這些分析揭示了表達 envORFs 的三個一般趨勢：（i）與已知的ENV衍生基因一樣，envORFs 表現(xiàn)出組織特異性表達模式，但有些被廣泛表達（HERVK13、ERV3；HERV，人類內源性逆轉錄病毒）（圖1A)； (ii) 大多數(shù)envORFs在人類早期發(fā)育過程中表達，通常在干細胞和原始生殖細胞和/或胎盤中（圖1A）； (iii) 除了大腦，envORFs 在正常條件下很少在分化組織中表達（圖1A）。因為抗病毒因子通常在免疫細胞中表達和/或在免疫刺激或感染后被誘導，作者還使用從各種免疫細胞生成的轉錄組數(shù)據(jù)集來分析envORF表達。這些分析表明，很大一部分envORFs（來自多個家族的145個基因座）在免疫細胞中表達，并且傾向于由免疫刺激誘導（圖1B）。一部分envORF在HIV感染時被誘導（圖 1C）。這些數(shù)據(jù)表明，人類基因組擁有大量的ENV衍生序列，這些序列具有編碼受體結合蛋白的潛力。許多以組織特異性或感染誘導的方式表達，表明它們可能起到抗病毒因子的作用。作為測試envORF 抗病毒活性的范例，本研究專注于SUPYN有兩個主要原因。首先，據(jù)報道SUPYN在發(fā)育中的胎盤中表達，正如許多envORF所觀察到的那樣，這是一種易受病毒感染的組織，并且是防止垂直傳播給胎兒的屏障。 其次，SUPYN缺乏跨膜結構域，但保留了結合氨基酸轉運蛋白ASCT2（也稱為SLC1A5）的能力，它是多種逆轉錄病毒的受體，包括內源性和外源性病毒，例如貓中的RD114和舊大陸猴 (OWM) 中的猿逆轉錄病毒 (SRV)。 這些病毒統(tǒng)稱為 RD114 和D型 (RDR) 逆轉錄病毒。作者假設SUPYN可能通過其與ASCT2 的結合來限制RDR逆轉錄病毒。
SUPYN在人類發(fā)育和組織中的表達和調控
作者分析了公開可用，來自成人組織、植入前的胚胎、人類胚胎干細胞系(hESC)、體外滋養(yǎng)細胞（TB）分化模型以及在懷孕的多個階段分離的胎盤外植體的bulk RNA-seq、單細胞RNA-seq、ATAC-seq , DNase-seq, and ChIP-seq數(shù)據(jù)。除睪丸和小腦外，SUPYN 表達通常較低 或在不在成人組織中表達。 SUPYNis在八細胞發(fā)育階段的植入前胚胎中高表達（圖2A）。因此，對應于祖先HERVH48原病毒的長末端重復序列 (LTR)的SUPYN啟動子區(qū)域以從八細胞到胚泡階段的幾個可接近染色質峰為標志。在 hESCs中，SUPYNRNA 豐富（圖2A），其啟動子區(qū)域以轉錄活性染色質的組蛋白修飾特征為特征并受核心多能性和自我更新轉錄因子的約束（圖2B）。在hESC向TB分化期間，占據(jù) SUPYN 啟動子區(qū)域的多能性因子（NANOG、OCT4）被 TB 特異性轉錄因子取代，并且在所有分析的TB中保持活性染色質標記譜系（圖2B）。這些觀察表明 SUPYN 表達在TB分化過程中持續(xù)存在。接下來，作者挖掘了胎盤在多個發(fā)育階段產(chǎn)生的單細胞 RNA-seq 數(shù)據(jù)。根據(jù)已知標記對細胞簇進行分類后，發(fā)現(xiàn) SUPYN 和 ASCT2 在細胞滋養(yǎng)細胞 (CTB) 和絨毛外滋養(yǎng)細胞 (EVTB) 中的表達相對較高，但在合體滋養(yǎng)細胞 (STB) 中也可檢測到（圖2C -F)。為了證實這些轉錄組觀察，作者對著床前胚胎以及孕中期和孕晚期胎盤中的 SUPYN 進行了免疫染色。在早期胚胎中，SUPYN 主要在滋養(yǎng)外胚層中檢測到，滋養(yǎng)外胚層會產(chǎn)生胎盤，在一些表達 OCT4 的細胞中可以檢測到，這些細胞標志著胚泡的多能干細胞（圖2G）。在胎盤中，SUPYN 廣泛表達于STB和孕中期胎盤絨毛的潛在 CTB 中（圖2H）。結合轉錄組、基因組調控數(shù)據(jù)和免疫組織化學染色確定SUPYN在整個人類胎兒發(fā)育過程中表達。這些分析還表明 SUPYN 轉錄始終從其祖先的 HERVH48原病毒開始（圖2B）。
SUPYN的表達情況與胚胎和生殖系統(tǒng)的RDR感染有關
Jar、JEG3和H1細胞對水皰性口炎病毒糖蛋白G（HIV-VSVg）敏感，如先前報道的，但對 HIV-RD114 感染具有抗性。不表達 SUPYN的293T細胞同樣容易受到 HIV-RD114和HIV-VSVg的感染（圖3A、B和C）。為了測試 SUPYN 是否有助于 HIV-RD114 抗性表型，作者在Jar細胞中重復了這些感染實驗。 Jar細胞中SUPYN的消耗導致對HIV-RD114感染的易感性顯著增加，但對 HIV-VSVg 感染沒有影響（圖3D）。為了證實 SUPYN 表達賦予 RD114 抗性和控制SUPYN靶向shRNA的潛在脫靶效應，作者使用兩種抗shRNA、血凝素 (HA) 標記的SUPYN 拯救構建體轉染 JarshSUPYN 細胞，并檢查它們對 HIV-RD114 感染的易感性。用SUPYN-rescSP或SUPYN-lucSP轉染恢復了對 HIV-RD114 感染的顯著抗性（圖3E）。轉染細胞裂解物的蛋白質印跡分析顯示 SUPYNrescSP比SUPYN-lucSP 表達更高（圖 3F）。這些結果表明，SUPYN 表達至少部分負責防止Jar細胞免受RD114env介導的感染。為了測試單獨的 SUPYN 表達是否足以提供針對 RD114env 介導的感染的保護，我們用未修飾或帶有 HA 標記的 SUPYN 過表達構建體轉染 293T 細胞，隨后用 HIV-RD114 或 HIV-VSVg 感染兩組細胞。作為陽性對照，我們還用未經(jīng)修飾的 RD114env 過表達構建體轉染了 293T 細胞，預計該構建體會賦予對 HIV-RD114 的抗性。 SUPYN 或 RD114env 的表達導致 HIV-RD114 感染水平降低約 80%（圖3G 、H），但對 HIV-VSV 感染性沒有顯著影響（圖 3I）。總之，我們的敲低和過表達實驗表明 SUPYN 表達足以賦予對 RD114env 介導的感染的抗性。RD114env 特異性抗性表型表明 SUPYN 通過受體干擾限制病毒進入（圖3G- I）。如果是這樣，這種保護作用應該擴展到由其他RDRenv介導的感染，作者研究發(fā)現(xiàn)SUPYN 可以限制由多個RDRenv介導的感染（圖 3J）?？剐杂山Y合 ASCT2 的ENV 賦予，例如 SUPYN，而不是由結合其他細胞受體的那些賦予（圖3H 和I）。此外，作者觀察到SUPYN過表達導致293T細胞中 ASCT2 蛋白水平降低（圖3K）。這一結果表明，如果SUPYN通過受體干擾起作用，它與 ASCT2 的相互作用會導致部分受體降解，這與受體干擾的某些情況一致)。SUPYN可以在分泌途徑內或分泌后在細胞外結合ASCT2（圖 3L）。
SUPYN抗病毒活性的進化
作者使用比較基因組學研究了作用于SUPYN的起源和功能限制。在整個人科動物中，SUPYNORF在長度上幾乎完全保守，但在OWM中則不然，在OWM中，某些物種的ORF表現(xiàn)出移碼和截短突變(圖4A)，這表明SUPYN在人科動物和OWM的不同進化機制下進化。在五種OWM中，只有非洲綠猴SUPYN表現(xiàn)出中等但顯著的抗病毒活性(圖4、B和C)。這些數(shù)據(jù)表明，抗RDRenv介導的感染的SUPYN抗病毒活性在約2000萬年的類人猿進化過程中得以保留，但在幾個OWM譜系中明顯丟失。
總結
文章到這里就要結束了。在人類基因組可能含有許多其他逆轉錄病毒衍生的蛋白質，對病毒感染具有保護作用。這些序列等待著大家探索發(fā)現(xiàn)，測序技術的快速發(fā)展為這些探索提供了便利條件！感興趣的小伙伴一定不要錯過了呦~
