Ендогенні ретровіруси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

ННЦ “Інститут біології”

Ендогенні ретровіруси

Виконала студентка 3 курсу

групи Біохімія -- 3

Кулеша Альона Вікторівна

Київ -- 2014

Зміст

1. Вступ

2. Мобільні елементи у геномі людини

3. Характеристика ендогенних ретровірусів

4. Ендогенні ретровіруси у геномі людини

5. Висновки

1. Вступ

Вірус -- це неклітинна форма життя, яка має ряд певних ознак: наявність одного типу амінокислоти, диз'юнктивний спосіб збіри віріону, можливість фільтрації через бактеріальні фільтри, відсутність власних білок-синтезуючих систем. Також віруси є облігатними внутрішньоклітинними паразитами. Остання характеристика відіграє важливу роль у існуванні організмів-хазяїв.

При ураженні клітини, вірус впливає на всі процеси, які є необхідними для підтримки нормального функціонування хазяїна. Тому вважається, що вони завдають шкоди. Особливо це стосується вірусів, які вбудовуються в геном клітин. До таких належить родина ретровірусів. Найбільш небезпечною їх властивістю є те, що вони вбудовуються в геном рандомно, а це призводить до змін генетичної інформації, а отже і істотних змін у клітині.

У 1948 році вперше було виявлено мобільні елементи геному під час дослідження Барбарою МакКлінток рослин кукурудзи. Поглиблене вивчення даного феномену показало різну природу цих елементів. Серед них було виявлено ділянки геному, які відповідають послідовностям геномів ретровірусів. Ці послідовності містять усі структурні елементи, проте мають певні мутації, що призводять до їх неактивності. Це явище називають ендогенними ретровірусами. Так як вони відіграють вагому роль у функціонуванні живих організмів, їх дослідженню за останні роки приділяють доволі багато уваги.

2. Мобільні елементи у геномі людини

Мобільні елементи -- послідовності ДНК, які здатні до розмноження і переміщення в межах геному. Вони поділяються на два класи: до першого класу відносять ДНК транспозони (переміщення здійснюється шляхом вирізання ділянки ДНК із подальшим вбудовуванням її в інше місце, процес відбувається без стадії “розмноження”), до другого -- ретротранспозони. Ретротранспозони становлять значну частину кількості мобільних елементів. Вони переміщаються з використанням РНК як проміжної форми, яка необхідна для розмноження. Особливістю ретротранспозонів є наявність кодуючої послідовності для зворотньої транскриптази (ферменту, який бере безпосередню учать у транспозиції елементу). До цієї групи належать елементи, що мають довгі термінальні повтори та елементи, у яких ці повтори відсутні.

Ендогенні ретровіруси -- це залишки давніх ретровірусів, які були активними мільйони років тому, інфікували клітини, а потім зазнали певних мутацій, які не дозволяють утворювати вірусні частинки. Більшість ЕРВ втратили здатність до ретротранспозиції, хоча і зберігають довгі термінальні повтори (LTR), що фланкують функціональні регуляторні послідовності і можуть використовуватись як альтернативні промотори для клітинних генів.

До елементів, які не містять довгих термінальних повторів відносяться елементи LINE (кодують зворотню траскриптазу, тому переміщуються автономно) та SINE (група елементів, які не мають власної зворотньої транскриптази, а використовують фермент елементів LINE).

3. Характеристика ендогенних ретровірусів

Відкриття ЕРВ відбулося наприкінці 1960-х і початку 1970-х років. Три типи ЕРВ було знайдено приблизно в один час: вірус пташиного лейкозу у свійської птиці (Gallus Gallus), вірус мишачого лейкозу і вірус пухлини молочної залози в лабораторних мишей (Mus Musculus). Спочатку ЕРВ були виявлені шляхом поєднання вірусологічних та імунологічних методів з менделівскою генетикою, а потім їх існування було підтверджене гібридизацією нуклеїнових кислот.

Ретровіруси можуть бути класифіковані як такі, що мають прості геноми - альфа, бета, гамма і епсілон ретровіруси, та складні геноми - лентивіруси, дельтавіруси і спумавіруси. Тільки прості ретровіруси змогли стати ендогенними у господарів. Причини цього досі не з'ясовані.

Хоча ретровіруси не мали власних назв до 1974 року, ретровірусні хвороби виявляли і розрізняли значно раніше. Віруси Jaagsiekte sheep retrovirus та Bovine leukosi були ідентифіковані в 19 столітті. У 1904 році, Vallйe і Carrй показали, що збудник анемії коней - лентивірус. Ellermann і Bang у 1908 році експерементально показали передачу еритролейкозу у курей. Це стало початком вивченя онкогенних ретровірусів. У 1961 році було доведено, що RSV (Rous sarcoma virus) містить РНК, тому онкогенні РНК-вмісні віруси назвали РНК пухлинні віруси (RNA tumor viruses). Клітини, інфіковані RSV, проявляли сталі властивості протягом кількох поділів. Ця властивість наштовхнула Howard Temin на думку, що RSV вірусний геном транскрибується у ДНК та інтегрується в хромосому клітини-хазяїна. Гіпотеза ДНК провірусу була сформована і обговорена у 1968 році.

Ендогенізація -- не летальна інгтеграція ретровірусів у геном клітин та подальше успадкування цих провірусів нащадками. Було підраховано, що даний процес триває вже більше 100 мільйонів років, а пік його був приблизно 30 -- 45 мільйонів років тому (розділення Старого і Нового світів, виникнення мавп). Ендонегізація ретровірусів у деяких видів тварин відбувається і зараз. Прикладом цього процесу є MLV (murine leukaemia virus) і MMTV (mouse mammary tumour virus) у мишей, KoRV (Koala retrovirus) у коал, JSRV (Jaagsiekte sheep retrovirus) у домашніх овець, однак у людей він не спостерігається. ЕРВ тварин являються цінними моделями для досліджень процесу ендогенізації та процесів виходу вірусу із цього стану.

Ендогенні ретровіруси складають близько 7 -- 8 % людського геному. Багато із цих вірусів мають дефекти у деяких, а іноді і всіх генах. Але, незважаючи на те, що віруси інтегрувались у геном наших пращурів мільйони років тому, вони і досі мають відкриті рамки зчитування, а, отже, і можливість для експресії білків. Проте й досі не відомо жодного ендогенного вірусу людини, який би мав інфекційну активність чи здатність до переміщення.

Репродуктивний цикл ЕРВ такий же, як і у екзогенних. Він включає проникнення вірусу у клітину, синтез дволанцюгової ДНК та інтеграція її в геном (фермент -- інтеграза).

Геном ендогенних ретровірусів складається з двох довгих кінцевих повторів 300-1,200 нуклеотидів в довжину, що розділені послідовністю приблизно 5-10 kb, яка кодує канонічні ретровірусні білки - gag, pol і env. Ретровірусна інтеграція по суті рандомна, тому кожен ЕРВ має своє окреме місце у хромосомі. Провіруси можна розрізняти за послідовностями в геномі клітини хазяїна, що фланкують послідовність вірусу.

Цикл реплікації ретровірусу включає інтеграцію ДНК - копії вірусного геному (вірусний геном - + РНК) в геном клітини-хазяїна. Більшість ретровірусів заражають соматичні клітини, але іноді інфікуються і статеві клітини. Трапляється, ретровіруси вражають зародки, тоді організм, який розвинеться, буде мати ретровірусний геном в якості невід'ємної частини свого власного генома -- так з'являються ендогенні ретровіруси, які можуть успадковуватись нащадками в якості нового алеля. Багато ЕРВ зберігаються в геномі їх господарів протягом мільйонів років. Проте більшість з них отримали певні мутації під час реплікації ДНК хазяїна і тому більше не здатні виробляти екзогенний вірус. ЕРВ також може бути частково вирізаний з геному за допомогою процесу рекомбінаційного видалення, під час якого рекомбінація між ідентичними послідовностями, що фланкують інтегрований ретровірус, призводить до видалення внутрішніх білок-кодуючих областей вірусного геному.

Недавно було відкрито ендогенні провіруси у тварин (курей, мишей, кішок та деяких приматів), які зберегли здатність до утворення інфекційного вірусу, хоч їх активність і обмежується CpG метилюванням. Тобто, такі віруси зберегли здатність передаватись вертикальним шляхом (від матері до дитини) та горизонтальним (вірусні частинки заражають соматичні клітини організму).

На сьогодні не існує чітко встановлених правил найменування та класифікації ендогенних ретровірусів. Провіруси людини отримують свою назву від тРНК, яка комплементарна сайту зв'язування праймера (СЗП). Наприклад, група HERV-H має сайт для звязування праймера, що комплементарний гістидил-тРНК. Ця класифікація, однак, ненадійна, бо провіруси однієї філогенетичної групи можуть мати відмінності в СЗП або не пов'язані провіруси можуть використовувати однакову тРНК в якості праймера. Нинішня номенклатура RepBase базується на подібності нуклеотидних сиквенсів, але вона не дуже підходить для ретровірусів, які краще класифікувати філогенетичним порівнянням (тобто за типом хазяїна).

4. Ендогенні ретровіруси у геномі людини

Ендогенні ретровіруси відіграють активну роль у формуванні геному. Більшість досліджень у цій області були зосереджені на геномах людини і вищих приматів, але й інші хребетні, такі як миші і вівці, також були поглиблено вивчені. Довгі кінцеві повтори (LTR), що фланкують геноми ЕРВ часто виступають в ролі альтернативних промоторів і підсилювачів. Крім того, ретровірусні білки можуть бути задіяними у нових функціях хазяїна, особливо в процесах відтворення і розвитку. Рекомбінація між гомологічними послідовностями ретровірусних геномів також сприяє перетасовці генів і генерації генетичної мінливості.

Одним із найяскравіших прикладів позитивного впливу ендогенних ретровірусів на геном тварин і людини є їх участь у формуванні плаценти. Добре відомо, що білок env вірусів HERV-W та, можливо, ERV-3, який відіграє роль при проникненні вірусу до клітини, також бере участь у формуванні плаценти ссавців. У людей та інших ссавців білок env називається синцитином і відповідає за формування та функціонування синцитіотрофобластів. Ці багатоядерні клітини дають можливість плоду отримувати поживні речовини, а також захищають його від впливу імунної системи матері. Тому можна сказати, що ендогенні ретровіруси зробили вагомий внесок у еволюцію живородіння.

Найбільш активна родина ендогенних ретровірусів людини -- це HERV-K. Представленість -- 30-50 членів на гаплоїдний геном у людини, а у мавп Старого світу ця родина є досить консервативною. Швидше за все, HERV-K кодує вірус тератокарциноми у людини (HTDV). За допомогою імуноелектронної мікроскопії було показано експресію білка HERV-K Gag у вражених вірусом HTDV клітинах. Дана родина є прикладом негативного впливу ендогенних ретровірусів на хазяїна.

Marie Dewanneiux, et al. у своїй статті описують реконструкцію інфекційного вірусу Phoenix, який вбудувався в геном людини менше 5 мільйонів років тому. Так як родина HERV-K вірусів вважається досить молодою, вчені, шляхом порівняння сиквенсів різних представників цієї родини, сконструювали ймовірний сиквенс геному екзогенного вірусу-предка. Всі мутації були виправлені і в результаті експерименту було отримано вірус, який здатний інфікувати лінії клітин людини.

ЕРВ вважають “шкідливими” ділянками ДНК, однак потрібно все ж наголосити на їх важливих ролях в деяких процесах. Одна з ролей - це контроль регулювання генів (експресії білків). Члени сім'ї HERV-K, як правило, знаходяться поблизу генів. Регуляторна роль ЕРВ була показана в печінці, плаценті, товстій кишці та інших місцях. Нещодавно було досліджено, необхідність ендогенного ретровірусу для підтримки вагітності в овець, так як він відіграє важливу роль у формуванні плаценти. Активність ЕРВ також відмічають при деяких хворобах (різні види раку та чоловіче безпліддя).

Ще одна важлива роль ЕРВ -- це їх роль у еволюції. Використання вірусних білків та промоторів призвело до утворення нових пристосувань та ознак, що мало значний вплив у ході еволюції живого світу.

ретровірус ендогенний геном мобільний

5. Висновки

У ході еволюції людський геном зазнав впливу багатьох факторів. Але найістотнішим, все ж таки, є вплив вірусів. Незважаючи на велику кількість хвороб спричинених ними, треба віддати належне їх участі у еволюції живого світу.

Віруси, що здатні вбудовуватись в геном є небезпечними. Адже вони втручаються в головні процеси життєдіяльності організму-хазяїна і загалом ведуть до його загибелі. Проте з іншого боку це можна розглядати як вид природного добору. Вбудований вірус може використовуватись організмом для своїх певних цілей. Таким чином створюються нові ознаки, пристосування, що свідчить про перехід на новий етап еволюції.

Як на мене, ретровіруси -- одна із найцікавіших родин. Достеменно вивчивши механізм впливу і будову, ми зможемо контролювати процеси спричинені вірусами. А це означає, що ми зможемо лікувати велику кількість вірусних хвороб та матимемо хороший інструмент для лікування різних генетичних захворювань.

Список використаної літератури

1. K. Ruprechta, J. Mayer b, M. Sautera, K. Roemerc and N. Mueller-Lantzscha (November 2008). “Endogenous retroviruses and cancer”. Cellular and Molecular Life Sciences 65 (21).

2. Balestrieri E., Pitzianti M., Matteucci C., D'Agati E., Sorrentino R., Baratta A., Caterina R., Zenobi R., Curatolo P., Garaci E., Sinibaldi-Vallebona P., Pasini A. (November, 28 2013). “Human endogenous retroviruses and ADHD”. The World Journal of Biological Psychiatry.

3. Gifford R, Tristem M (May 2003). "The Evolution, Distribution and Diversity of Endogenous Retroviruses". Virus Genes 26 (3).

4. David J Griffiths (June, 5 2001). “Endogenous retroviruses in the human genome sequence”. Genome Biology 2 (6)

5. Marie Dewanneiux, et al. (October 31, 2006). “Identification of an infectious progenitor for the multiple-copy HERV-K human endogenous retroelements”. Genome Research, published online.

6. ScienceDaily, Researchers discover that sheep need retrovirus for reproduction, September 11, 2006.

Размещено на Allbest.ru