Arquitetura molecular e conservação de um retrovírus endógeno humano imaturo

Nature Communications volume 14, número do artigo: 5149 (2023) Citar este artigo

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O retrovírus endógeno humano K (HERV-K) é o retrovírus endógeno adquirido mais recentemente no genoma humano e é ativado e expresso em muitos tipos de câncer e na esclerose lateral amiotrófica. Apresentamos a estrutura imatura do capsídeo HERV-K com resolução de 3,2 Å determinada a partir de partículas nativas semelhantes a vírus usando tomografia crioeletrônica e média de subtomograma. A estrutura mostra uma unidade hexâmera oligomerizada através de um feixe de 6 hélices, que é estabilizada por uma pequena molécula análoga ao IP6 no capsídeo imaturo do HIV-1. A rede imatura HERV-K é montada através de interfaces de dímeros e trímeros altamente conservadas, conforme detalhado através de simulações de dinâmica molecular de todos os átomos e apoiado por estudos mutacionais. Uma grande mudança conformacional mediada pelo ligante entre os domínios N-terminal e C-terminal da CA ocorre durante a maturação do HERV-K. A comparação entre o HERV-K e outras estruturas imaturas do capsídeo retroviral revela um mecanismo altamente conservado para a montagem e maturação de retrovírus ao longo dos gêneros e do tempo evolutivo.

Quando o genoma humano foi sequenciado pela primeira vez, descobriu-se que ~8% podem ser classificados na ampla classe de retrovírus endógenos humanos (HERVs)1. Esses vírus integraram-se ao genoma ao longo de milhões de anos e a maioria acumulou mutações que os tornam não infecciosos. HERV-K (HML-1 a HML-10) é o grupo de vírus mais recentemente incorporado e mais ativo, especialmente seu subgrupo HML-2. O HERV-K está presente com centenas de cópias no genoma e algumas cópias do HERV-K consistem em um quadro de leitura aberto completo com todas as proteínas estruturais e reguladoras presentes, mas nenhuma pode completar o ciclo de vida viral devido a mutações em algumas proteínas. Embora o HERV-K não seja expresso em células adultas saudáveis, alguns loci são regulados positivamente em vários tipos de câncer2,3,4,5,6, na esclerose lateral amiotrófica (ELA)7, durante a infecção pelo HIV-18 e, mais recentemente, em órgãos e tecidos. de primatas e camundongos idosos9,10. Quando as cópias do HERV-K são expressas nessas células, elas podem produzir partículas semelhantes a vírus (VLPs) que não são infecciosas. No entanto, uma sequência de consenso baseada em dez provírus completos de HERV-K, denominada KERV-Kcon, demonstrou produzir vírions infecciosos11,12, cujo ciclo de vida é inibido por uma variedade de fatores de restrição, como teterina e membros da família APOBEC que restringir retrovírus exógenos. Portanto, o HERV-K serve de paradigma para a compreensão da arquitetura e propriedade dos retrovírus endógenos quando integrados ao genoma humano há milhares de anos. Constituem um registo fóssil guardado nos nossos genomas e fornecem um padrão de conservação que evoluiu ao longo de milhões de anos de interação entre retrovírus e os seus hospedeiros. Além disso, o HERV-K também é de importância médica, pois as VLPs do HERV-K induzem a senescência em células jovens e vários genes estão sob controle transcricional definido pelos loci HERV-K durante a tumorigênese .

Filogeneticamente, o HERV-K pertence ao supergrupo semelhante ao betaretrovírus, pois sua sequência é mais semelhante ao vírus do tumor mamário de camundongo (MMTV) . A principal proteína estrutural Gag é suficiente para que o HERV-K produza VLPs imaturas. Após a maturação, Gag é clivado por sua protease em matriz (MA, liga-se à membrana), p15, capsídeo (CA, forma o núcleo interno), nucleocapsídeo (NC, liga-se ao RNA) e três peptídeos espaçadores (SP1, QP1 e QP2) 16,17. A estrutura madura do capsídeo do HERV-K foi recentemente elucidada por crioEM de partícula única, usando montagens in vitro da proteína recombinante do capsídeo HERV-Kcon (CA) . No entanto, a estrutura imatura do HERV-K Gag e sua montagem como uma rede imatura permanecem indefinidas.

Aqui apresentamos um estudo crioET das VLPs HERV-Kcon Gag nativas e imaturas liberadas de células humanas. Curiosamente, as VLPs HERV-Kcon Gag são muito maiores do que outros retrovírus conhecidos, com uma lacuna substancialmente maior entre a membrana e a camada do capsídeo. Usamos crioET e média de subtomograma (STA) para determinar a estrutura do domínio HERV-K CA de Gag imaturo com resolução de 3,2 Å. Sua estrutura geral é análoga a outros retrovírus, demonstrando forte conservação entre retrovírus humanos endógenos e exógenos. Embora os domínios individuais N-terminal (NTD) e C-terminal (CTD) do capsídeo sejam estruturalmente conservados entre as formas maduras e imaturas, a articulação entre esses dois domínios, no entanto, é diferente, levando a orientações NTD e CTD muito diferentes. e consequentemente redes distintas para o HERV-K maduro e imaturo. A presença de uma densidade conservada no topo do feixe de 6 hélices (6HB) do hexâmero CA imaturo, coordenado por dois anéis de resíduos de lisina conservados, sugere um mecanismo notavelmente semelhante de hexafosfatos de inositol (IP6) na montagem de HERV-K e infecção em comparação com IP6 no HIV-1 e outros retrovírus, como EIAV e RSV19,20,21.