Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Endogenní retroviry – genetické fosilie, nebo zombie?

Publikováno: Vesmír 93, 444, 2014/7
Obor: Virologie

Současný boom sekvenování celých genomů nejrůznějších organismů přináší záplavu dat, která posouvají naše znalosti o genetice, variabilitě a vzájemné příbuznosti druhů nebo celých taxonomických skupin. Nejnovějšími metodami dokážeme v krátké době sekvenovat genomy konkrétních jedinců včetně našich předchůdců z pozdního pleistocénu. Mimo jiné získáváme také informace o tom, že genomy obratlovců jsou plné retrovirových sekvencí, tedy úseků DNA, které odpovídají infekčním a zpravidla patogenním retrovirům. Přítomnost takových retrovirových sekvencí je dědičná a nezávisí na infekci prodělané zkoumaným jedincem, nazýváme je proto endogenní retroviry.

Již první celogenomové sekvence člověka zveřejněné v r. 2001 ukázaly, že zastoupení endogenních retrovirů je enormní: z celkové lidské DNA tvoří okolo 8 %, což je několikanásobně více než DNA kódující bílkoviny. Když připočítáme ostatní mnohonásobně opakované sekvence DNA, které se podobně jako retroviry pomnožují reverzní transkripcí z RNA do DNA, dostaneme se až k 45 % lidského genomu. Tak veliká frakce genomu tvořená v podstatě parazitickými a zčásti mobilními sekvencemi, vyvolává palčivé otázky. Jaký je původ endogenních retrovirů? Jak mohou genomy vlastně zvládat takovou zátěž, aniž by se rozpadly složité regulační sítě kontrolující buněčné funkce včetně dělení? Je-li v evoluci obratlovců udržováno takové množství genomových parazitů, mohou mít pro své hostitele nějaké prospěšné funkce?

Kde se vzaly?

Původ endogenních retrovirů je nyní v hrubých rysech jasný: při retrovirové infekci mohou být infikovány také buňky germinální linie, tedy buňky, které dávají vznik příští generaci. U savců včetně člověka se nabízí např. spermatogonie, prekurzory spermií. Pokud se retrovirus dostane do buňky germinální linie a včlení se (integruje) do její DNA, bude mít jedinec vzniklý z této pohlavní buňky po jedné retrovirové kopii ve všech svých somatických buňkách, ale též ve všech buňkách pohlavních, kterými přenese retrovirovou kopii na všechny své potomky. Infekční retrovirus se stává endogenním a přenáší se nikoli horizontálně mezi jedinci v populaci, ale vertikálně, z rodiče na potomka. Pokud se při reprodukci sejdou dva příbuzní jedinci se stejnou retrovirovou integrací, může se v jejich potomstvu objevit retrovirová sekvence v homozygotním stavu, tj. ve dvou kopiích ve stejné pozici na obou chromozomech (obr. 1). Nakonec může dojít až k fixaci endogenního retroviru v populaci, to znamená, že nositelé konkrétní retrovirové kopie v populaci převládnou a v extrémním případě jedinci bez endogenního retroviru vymizí. Takový proces vyžaduje dostatek času a nenáhodné setkávání jedinců při reprodukci, ke kterému dochází v početně omezených populacích. V genomu člověka se všechny známé kopie nacházejí v homozygotním stavu. Jedním z možných vysvětlení je, že předkové moderního člověka se vyskytovali v malých populacích, kde se uplatňují jak náhodný genetický drift tak příbuzenská reprodukce. Endogenní retroviry nám uchovávají informaci o tom, jak vypadaly retroviry v dávné evoluční minulosti, jsou to vlastně virové fosilie.

K endogenizaci retrovirů dochází opakovaně a do genomu se takto mohou dostávat retroviry různých typů. Navíc po určitou dobu mohou endogenní retroviry produkovat infekční potomstvo a vytvářet nové endogenní kopie stejného typu, ale na jiných místech v genomu. Tomu přesně odpovídá sestava endogenních retrovirů v lidském genomu: rozlišujeme velký počet skupin (rodin), které pocházejí vždy z nezávislé endogenizace retrovirů určitého typu. Rodiny obsahují různé, často několikatisícové počty kopií, což odpovídá multiplikaci jedné původní kopie poté, kdy došlo k endogenizaci.

Jednotlivé rodiny endogenních retrovirů jsou různě staré. Většinu z nich sdílíme s našimi nejbližšími příbuznými, s lidoopy, některé dokonce s ostatními primáty. Podle toho lze přesně usuzovat na evoluční stáří jednotlivých rodin endogenních retrovirů. Jen velmi malá část z celkového počtu 100 000 kopií endogenních retrovirů v lidském genomu je specificky lidská, tj. pronikla do genomu našich předchůdců teprve poté, kdy se oddělily vývojové linie člověka a šimpanzů. Již nyní je možné evoluční studie obohatit o srovnání endogenních retrovirů v genomu současných lidí a vymřelých sesterských linií neandertálců a denisovanů.

Objev endogenních retrovirů

Pro úvahy o možných funkcích endogenních retrovirů je poučná historie jejich objevu. V šedesátých letech 20. století byla velkým problémem drůbežích chovů leukóza, retrovirové onemocnění postihující lymfoidní, myeloidní i erytroidní krevní řadu. K vyhledávání infikovaných slepic se využívaly sérologické testy, virus byl posléze izolován ze séra pozitivních ptáků. Ukázalo se však, že sérologicky reagovalo též mnoho neinfikovaných ptáků. A tato séropozitivita se dědila mendelovsky při křížení s negativními jedinci. Nejen to, v buňkách neinfikovaných, ale séropozitivních kuřat bylo možné množit kuřecí virus, který jinak není schopen samostatného množení kvůli chybějícímu genu pro obalové bílkoviny.

Tyto objevy přišly právě v době, kdy v pražské laboratoři Jana Svobody a paralelně v USA vznikala představa o existenci integrovaných retrovirových provirů, bylo tedy možno vyslovit hypotézu, že neznámý buněčný faktor odpovědný za séropozitivitu je vlastně neinfekční endogenní retrovirus. To bylo později s rozvojem molekulárních genetických metod skutečně prokázáno: v kuřecí DNA se vyskytuje několik endogenních retrovirů, které mají různě rozsáhlé defekty a podle toho mohou nebo nemohou pomáhat množení jiného viru.

Zásadní roli v celém objevu sehrály dvě věci. Endogenních retrovirů podobných leukózovému viru v kuřecím genomu není mnoho, takže bylo možné celou situaci analyzovat. A za druhé mohl být výzkum prováděn s pomocí inbredních, geneticky homogenních linií kuřat. Taková situace neexistuje u žádného jiného domácího zvířete. Každá inbrední linie má trochu jinou sestavu endogenních retrovirů. Z evolučního pohledu je zajímavé, že endogenní kopie příbuzné leukózovým ptačím retrovirům se nacházejí v genomu kura bankivského, předchůdce domestikovaných slepic, ale nikoli v genomech tří blízce příbuzných druhů kurů. To znamená, že tyto endogenní retroviry vznikly až poté, co se jednotlivé druhy reprodukčně oddělily, ale před domestikací současných plemen slepic.

Endogenní retroviry slepic se jistě nějakou dobu mohly množit a přenášet horizontálně, než byly postupně inaktivovány mutacemi a ztrátami celých genových úseků. V té době jistě svému hostiteli škodily, což nezůstalo bez odezvy. Infekční virus vstupuje do hostitelské buňky přes receptory, povrchové buněčné bílkoviny, které ovšem zajišťují normální fyziologické funkce i v neinfikované buňce. Většinou jsou to receptory, které vážou rozpustné bílkovinné nebo nízkomolekulární faktory a zprostředkují reakce buňky na vlivy z vnějšího prostředí. Nebo se může jednat o transportní molekuly, kanály pro různé ionty a aminokyseliny. Stejně jako se retroviry přizpůsobily vazbou svých obalových bílkovin na receptory, mohou hostitelské buňky mutacemi v receptorech tuto vazbu narušit a získat rezistenci k danému retroviru. Mutace v receptoru pro kuřecí endogenní retroviry, v receptoru Tvb z rodiny receptorů pro faktory nádorové nekrózy, nacházíme u většiny plemen domácí drůbeže. Zjevně jde o výsledek selekce, která působila v minulosti.

Pozdravy ze záhrobí

Ani inaktivované a nekompletní endogenní retroviry nemusí v genomu jen tiše dřímat na „zaslouženém evolučním odpočinku“. Příkladem je nový typ ptačího leukózového retroviru, který se v osmdesátých letech náhle objevil ve Velké Británii a začal působit značné škody v masných drůbežích chovech. Ukázalo se, že nový virus vznikl poměrně složitou rekombinací běžných leukózových virů s endogenním retrovirem, od kterého získal nový patogenní potenciál a též specificitu pro receptor do té doby neznámý. Tento retrovirus nazvaný ptačí leukózový virus typu J byl zavlečen do mnoha zemí, a ačkoli se jej v Evropě a v Americe podařilo eradikovat, v Číně se vyvinul do mnoha variant s rozšířeným spektrem patogenních projevů a napadá nyní i nosná plemena slepic. S ohledem na to, že drůbež je celosvětově zdaleka nejdůležitějším zdrojem bílkovin pro lidstvo, každý nový patogen znamená ohromnou ekonomickou újmu. Léčba ani vakcína neexistují a riziko znovuzavlečení nových čínských variant je značné.

Endogenní retroviry jako zdroj nových infekčních virů jsou hrozbou i pro nás, naštěstí zatím neprokázanou. Existují četné náznaky, že např. při patogenezi roztroušené mozkomíšní sklerózy se může uplatňovat lidský retrovirus, který by mohl vznikat rekombinací endogenních retrovirů typu W. Nedávno odbornou komunitou zahýbaly zprávy o novém retroviru, který způsobuje syndrom chronické únavy. Tento retrovirus je příbuzný xenotropním myším retrovirům a údajně byl izolován z pacientů s chronickým únavovým syndromem a z biopsií nádorů prostaty. Postupně se ale ukázalo, že jeho detekce u většiny pacientů byla jen laboratorní kontaminací. Virus opravdu existuje, je to výsledek rekombinace dvou myších samostatně nefunkčních endogenních retrovirů, in vitro infikuje lidské buňky, ale únavový syndrom nevyvolává. Musíme však počítat s tím, že jiné rekombinanty endogenních virů, které mohou vznikat a infikovat člověka v budoucnu, třeba patogenní budou. Dobrá zpráva je, že reverzní transkriptázy všech retrovirů včetně endogenních jsou velmi podobné a citlivé na inhibitory, které používáme k léčbě infekce HIV-1.

A konečně většina savců obsahuje evolučně mladé endogenní retroviry stále schopné produkce infekčního viru. Jen u některých z nich bylo testováno, zda mohou infikovat lidské buňky. S určitostí to víme např. u endogenních retrovirů prasat. Jeden typ prasečích endogenních retrovirů účinně vstupuje do lidských buněk. V kultuře a rekombinací s jiným typem získává schopnost množit se zde do vysokých titrů.

Je nasnadě, že xenotransplantace prasečích orgánů člověku tak představuje zdravotní riziko pro příjemce. Naštěstí takový přenos retroviru nebyl dosud prokázán u pacientů, kteří xenotransplantaci prodělali – mimochodem, největší skupina pacientů, kteří byli léčeni transplantací štěpů prasečí kůže při popáleninách, byla studována v Praze… I přes negativní výsledky retrospektivních studií je třeba opatrnosti, zejména v budoucnu, kdy budou využívány linie geneticky modifikovaných prasat s eliminací bezprostřední imunitní reakce hostitele proti transplantovanému štěpu.

Rovněž produkce vakcín pomocí savčích buněk v kultuře má svá rizika. Např. živé atenuované vakcíny produkované na kočičích buňkách obsahují infekční částice kočičího endogenního retroviru RD 114, který může být přenesen na vakcinované psy nebo jiné domácí mazlíčky. Stejně tak byly nalezeny infekční endogenní retroviry v monoklonálních protilátkách z myších hybridomů. Při produkci vakcín a monoklonálních protilátek určených pro člověka se samozřejmě dbá na to, aby používané buňky a kultivační séra pocházely ze zdrojů bez specifických patogenů. O endogenních retrovirech toho ale stále víme málo a ani je nemůžeme eliminovat kvůli velkému počtu kopií. Pouze u slepic se podařilo najít nebo cílenou plemenitbou vyšlechtit linie bez endogenních retrovirů.

Zlý pán, ale dobrý sluha

Dosud jsem se věnoval jen nebezpečím a hrozbám, které endogenní retroviry představují. Na druhou stranu ale musíme endogenním retrovirům přiznat také užitečné funkce, dokonce nezbytné pro náš život. Lidské endogenní retroviry typů W a FRD jsou určující pro vývoj placenty, specificky její mnohojaderné složky, tzv. syncytiotrofoblastu.

Syncytiotrofoblast vzniká splýváním původně jednotlivých buněk do mnohojaderných syncytií a v lidské placentě je bariérou mezi krevními oběhy matky a plodu (obr. 2). Výměna živin, plynů i metabolických zplodin je účinnější přes syncytium než přes vrstvu jednotlivých, navzájem oddělených buněk. Když infekční retrovirus proniká do hostitelské buňky, naváže se na specifický receptor svými obalovými bílkovinami a ty pak zahájí proces fúze retrovirového obalu s povrchovou membránou buňky. Dvě kopie endogenních retrovirů, jedna typu W a druhá typu FRD, si zachovaly funkční geny pro obalovou bílkovinu, tzv. syncytin-1 a syncytin-2, a ačkoli již nemají schopnost vytvářet infekční virus, syncytiny jsou produkovány a lokalizovány na povrchu buňky. Setkají-li se s příslušným receptorem na povrchu sousední buňky, mohou obě buňky splynout stejným způsobem jako při retrovirové infekci.

V evoluci prostě neexistuje nevyužitelný odpad. I parazit, původně nebezpečný, může posloužit jako materiál pro vznik nových funkcí. Placenta jako evoluční novinka vytvořila potřebu fúzogenních povrchových bílkovin a pro tuto potřebu již existovaly retrovirové obalové bílkoviny. Syncytiny byly identifikovány ve všech vývojových liniích placentálních savců, kde se v placentě nacházejí syncytiální vrstvy. Jde ovšem o endogenní retroviry z různých, navzájem nepříbuzných skupin. Zřejmě byl při radiaci placentálních savců k dispozici dostatek fúzogenních retrovirů a evoluce měla z čeho vybírat. Bylo jen třeba zapojit endogenní retroviry do regulačních sítí a zajistit, aby byly syncytiny produkovány jen v trofoblastických buňkách a nikde jinde – fúze buněk mimo placentu by působila destruktivně.

Endogenní retroviry, které si zachovávají funkční geny pro obalové bílkoviny, mohou také bránit hostitelskou buňku před vstupem příbuzných infekčních virů. Obalové bílkoviny se dostávají na povrch buňky, kde interagují se specifickými receptory. Ty jsou pak obsazeny a neumožní vstup nově příchozího infekčního viru. To zároveň vysvětluje, proč endogenní retroviry, které jsou schopny produkovat infekční částice, často infikují jen buňky cizodruhových hostitelů, a nikoli buňky vlastního hostitele. Jsou xenotropní.

Zpět ke genomickému pohledu

Již případ kuřecích endogenních retrovirů naznačil možné využití při studiu evolučních souvislostí. Můžeme ovšem též sestoupit z úrovně druhů na úroveň populací v rámci druhu. Alespoň ve dvou případech, u australských koal a amerických jelenců, lze pozorovat v současnosti probíhající šíření nových typů endogenních retrovirů, takže dva různí jedinci těchto druhů se liší jak počtem kopií endogenního retroviru, tak místem jejich integrace do hostitelského genomu (inzerční polymorfismus). Protože dvě nezávislé integrace retroviru do téhož místa v genomu jsou velice nepravděpodobné, můžeme v takových případech mapováním retrovirových kopií získat údaje o populační struktuře a příbuznosti jednotlivých zvířat. Navíc můžeme téměř v reálném čase sledovat promořování genomu novými kopiemi retroviru, tendence k fixaci nebo vymizení jednotlivých kopií, vznik kopií defektních a regulaci retrovirové exprese genomovými mechanismy.

Máme zde rovněž jedinečnou příležitost zjistit, čím je dán tropismus retrovirů pro zárodečnou linii buněk, proč některé retroviry vytvářejí endogenní varianty a jiné nikoli. Endogenní retroviry u koal jsou silně patogenní – vyvolávají leukemie, lymfomy a poruchy imunity, takže koaly v přírodě i v zoologických zahradách hynou na chlamydiové infekce.

Endogenní retroviry byly spolu s ostatními repetitivními a mobilními genovými elementy tradičně označovány jako „junk DNA“, tedy odpadní DNA, která je v genomu jakýmsi nedopatřením a která je plynule odstraňována. Nyní je nám již jasné, že genomy z nahromaděné mobilní DNA mohou těžit materiál pro svoji evoluci, a to jak kódující sekvence, tak sekvence regulační. Naše poznání je ale stále povrchní; vlastně ještě ani nevíme, jak velká část ledovce je pod hladinou. Tím napínavější je vývoj v tomto oboru a můžeme si být jisti, že při přehrabování junk DNA narazíme na netušené poklady.

V článku jsou zmíněny některé výsledky získané v laboratoři autora. Popisovaný výzkum je financován Grantovou agenturou České republiky (projekt 13‑37600S), Interní grantovou agenturou Ministerstva zdravotnictví (projekt NT14601‑3/2013) a 6. rámcovým programem Evropské komise (projekt Xenome).

Retroviry a jejich replikační cyklus

Retroviry mají unikátní strategii infekce a rozmnožování. Svoji genetickou informaci ukládají střídavě do RNA a DNA. Infekční virová částice obsahuje dvě molekuly RNA uložené v bílkovinné kapsidě a zvnějšku chráněné navíc povrchovou membránou buněčného původu se začleněnými virovými obalovými glykoproteiny. Složení retroviru doplňují molekuly virových enzymů (reverzní transkriptáza, integráza a proteáza). Genom retrovirů je jednoduchý a obsahuje většinou jen tři geny, gag, pol a env, které kódují strukturní bílkoviny kapsidy, virové enzymy a obalové glykoproteiny.

Životní cyklus retroviru začíná navázáním infekční částice na specifický povrchový receptor a proniknutím do buňky fúzí virové a buněčné cytoplazmatické membrány. Virové genomové molekuly RNA ovšem nejsou využity pro translaci, tj. překlad do sekvence aminokyselin a syntézu virových proteinů. Jsou místo toho přepsány do dvouřetězcové DNA virovou reverzní transkriptázou. Oproti obvyklému toku genetické informace ve směru DNA – RNA – bílkoviny je tento krok vlastně protisměrný (retrográdní) a svojí výlučností se postaral o pojmenování retrovirů. Ve formě DNA se genom retroviru začleňuje jako tzv. provirus do hostitelské DNA, a to účinkem dalšího virového enzymu, integrázy. Ve formě proviru se retrovirová genetická informace přepisuje podobně jako běžné buněčné geny zpět do RNA, která může být využita jako genom nově vznikajících infekčních částic, nebo poslouží jako předloha pro syntézu virových bílkovin. Virové bílkoviny sestavují nové infekční částice v cytoplazmě nebo na cytoplazmatické membráně hostitelské buňky a zabalí dvě molekuly virové RNA. Infekční částice vypučí z buňky a po dozrání vně buňky účinkem virové proteázy je schopna napadnout novou buňku.

Retroviry nalezneme prakticky u všech skupin obratlovců. Nápadné jsou zejména tam, kde působí nádorová onemocnění a leukémie, jako je tomu u slepic, hlodavců, koček, primátů a sudokopytníků. U člověka se jako patogeny uplatňují především HIV-1, původce imunitního rozvratu známého pod zkratkou AIDS (acquired immunodefficiency syndrom), a leukemický virus HTL V-1. Množení retrovirů lze specificky zablokovat zásahem proti virovým enzymům. Účinnými virostatiky jsou tak inhibitory reverzní transkriptázy, integrázy i proteázy. Nověji umíme narušit i průběh fúze viru a buňky, vnitrobuněčný transport nebo skládání virových částic. V současnosti se hojně studují buněčné obranné faktory. Jejich poznání a využití může v budoucnu přinést nová virostatika.

Retroviry vyvolávají nádory tím, že se začlení do blízkosti buněčných genů podporujících buněčné dělení. To může vést ke ztrátě kontroly nad buněčným dělením a příslušný buněčný klon vytvoří pevný nádor, nebo leukemii. Retrovirus může ovšem s genem, který podporuje buněčné dělení, rekombinovat a posléze jej přenášet jako tzv. onkogen ve svém genomu. Takové retroviry vyvolávají nádory akutně po integraci kamkoli do genomu hostitele. Stejně jako onkogeny ale mohou retroviry přenášet jakoukoli genetickou informaci a tak z nich lze vytvořit vektory pro přenos genů. Zejména vektory odvozené z HIV-1 mají potenciál i pro genovou terapii jednoduše děděných vrozených onemocnění.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201407_444-447.pdf (414 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky