人內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒W(wǎng)家族與疾病相關(guān)性的研究

李旭航，朱帆

病毒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，武漢 430071

內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒(endogenous retroviruses，ERV)在幾百萬(wàn)年前侵入宿主生殖細(xì)胞或胚胎干細(xì)胞并將基因序列整合進(jìn)入宿主基因組，以垂直傳播遺傳給子代，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年的進(jìn)化，已成為宿主基因組的一部分[1]。20世紀(jì)60年代后期采用病毒學(xué)、免疫學(xué)及孟德?tīng)栠z傳學(xué)相結(jié)合的方式發(fā)現(xiàn)了禽白血病病毒、鼠白血病病毒和鼠乳腺腫瘤病毒，證實(shí)了ERV的存在[2]。目前在所有的脊椎動(dòng)物體內(nèi)均發(fā)現(xiàn)了ERV序列[3]。

人內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒(human endogenous retroviruses，HERV)是包括多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis，MS)在內(nèi)的多種疾病的可能病因之一，與人類(lèi)健康密切相關(guān)。HERV主要通過(guò)插入誘變影響表觀遺傳調(diào)控和同源拷貝之間產(chǎn)生序列重組2種方式參與疾病的發(fā)生過(guò)程[4]。

1 HERV

HERV于1982年被發(fā)現(xiàn)[5]，約占人類(lèi)基因組的8%～12%[1]。在進(jìn)化過(guò)程中，因基因突變及同源重組引起的缺失與重排等，阻礙了病毒顆粒的正常組裝，進(jìn)而影響其在個(gè)體間的水平傳播。然而仍有部分HERV家族成員或保留了病毒所有蛋白的開(kāi)放讀碼框架或可編碼部分病毒來(lái)源的產(chǎn)物[6]。

1.1 命名與分類(lèi)

逆轉(zhuǎn)錄病毒的類(lèi)別眾多，針對(duì)HERV的統(tǒng)一命名，既有利于對(duì)基因組信息進(jìn)行注釋?zhuān)挚捎糜谘芯縃ERV對(duì)宿主基因組的影響。一般以在ERV前添加字母表示所屬物種，以及用病毒引物結(jié)合位點(diǎn)所結(jié)合的第1個(gè)氨基酸命名。

HERV的分類(lèi)學(xué)研究通常采用系統(tǒng)發(fā)育方法，主要依據(jù)高度保守的pol基因序列相似性進(jìn)行分析。已發(fā)現(xiàn)的HERV家族成員有70個(gè)，其中經(jīng)典的有39個(gè)，主要分為3個(gè)類(lèi)別：Ⅰ類(lèi)(gamma-like)、Ⅱ類(lèi)(beta-like)和Ⅲ類(lèi)(spume-like)，見(jiàn)表1；非經(jīng)典的有31個(gè)，被歸為epsilon-like等未分類(lèi)組[7]?；赗epeatmasker和Retrotector等新技術(shù)的應(yīng)用及對(duì)HERV的深入研究，有人提出了兼顧傳統(tǒng)命名方式、序列相似度與分子進(jìn)化以及病毒結(jié)構(gòu)與功能的新分類(lèi)方法，但目前尚未形成系統(tǒng)[8]。

1.2 結(jié)構(gòu)

完整的HERV結(jié)構(gòu)由基因gag、pro、pol與env及兩個(gè)長(zhǎng)末端重復(fù)序列(long terminal repeat，LTR)組成。gag基因主要編碼病毒的結(jié)構(gòu)蛋白；pol基因主要編碼參與病毒復(fù)制過(guò)程的酶, 如逆轉(zhuǎn)錄酶、整合酶等；env基因編碼的包膜蛋白由胞外段和跨膜段組成，可輔助病毒的侵襲和感染；LTR包含HERV轉(zhuǎn)錄必需的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子，調(diào)節(jié)HERV家族基因的表達(dá)[9]。

表1 HERV分類(lèi)及主要成員

Tab.1 Classification of HERVs and major members

HERVsMajormembersClassⅠHERV-FRD、HERV-W、HERV-H、HERV-F、HERV-E、HERV-PClassⅡHERV-KClassⅢHERV-L、HERV-S

2 HERV-W

2.1 簡(jiǎn)介

HERV-W屬于Class Ⅰ(γ逆轉(zhuǎn)錄病毒相似元件)家族成員。1989年P(guān)erron團(tuán)隊(duì)從MS患者體內(nèi)分離到一種HERV顆粒，命名為多發(fā)性硬化相關(guān)逆轉(zhuǎn)錄病毒(multiple sclerosis associated retrovirus，MSRV)[10]；此后與MSRV同源的序列在人類(lèi)基因組中被發(fā)現(xiàn)，因此，統(tǒng)一命名為HERV-W[11]。位于7號(hào)染色體上的包膜蛋白基因(HERV-Wenv，又稱(chēng)ERVWE1)可編碼ENV蛋白，主要在人胎盤(pán)中表達(dá)，參與合胞體形成并介導(dǎo)滋養(yǎng)層細(xì)胞融合，故又名為Syncytin-1。Syncytin-1可與中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白A(neutral amino acid transporter A，SLC1A4)和中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白B(0)﹝neutral amino acid transporter B(0)，SLC1A5﹞ 結(jié)合而發(fā)揮作用[12]。

2.2 生理功能

HERV-W的轉(zhuǎn)錄活性在生理狀態(tài)下受表觀遺傳調(diào)控，其表達(dá)產(chǎn)物在人胎盤(pán)形成過(guò)程中發(fā)揮重要作用。孕期母親血液中HERV-W的表達(dá)水平上調(diào)，1周歲的小兒體內(nèi)HERV-W已有轉(zhuǎn)錄活性[13]。HERV-W調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是保證相關(guān)基因發(fā)揮正常功能的重要組成部分[6]。

2.2.1 受表觀遺傳調(diào)控LTR對(duì)于HERV基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)起重要調(diào)控作用，主要通過(guò)調(diào)節(jié)基因的甲基化等方式實(shí)現(xiàn)。LTR甲基化水平降低會(huì)導(dǎo)致HERV轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)。由于人胎盤(pán)中HERV的LTR甲基化水平較低，因而可檢測(cè)到許多HERV家族成員的表達(dá)，如HERV-W[6]。

2.2.2 參與免疫調(diào)節(jié)HERV-W對(duì)宿主免疫系統(tǒng)具有重要作用。Toll樣受體4(toll-like receptor 4，TLR4)和白細(xì)胞分化抗原14(cluster of differentiation 14，CD14)是天然免疫重要的模式識(shí)別受體和共同受體。HERV-W編碼的Syncytin-1可激活天然免疫。Syncytin-1通過(guò)胞外段與TLR4相互作用，導(dǎo)致外周血單核細(xì)胞中促炎細(xì)胞因子﹝白細(xì)胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)、白細(xì)胞介素6(interleukin6，IL-6)及腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor alpha，TNF-α)﹞分泌，從而引起急性和慢性炎癥[14]。

3 HERV-W與疾病關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，在自身免疫性疾病、神經(jīng)精神疾病等多種疾病中，HERV-W RNA和蛋白的表達(dá)上調(diào)可能引起宿主細(xì)胞的病理?yè)p傷，因此，HERV-W被認(rèn)為是一類(lèi)新的致病因子[15-16]。

3.1 與自身免疫性疾病相關(guān)

MS是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)自身免疫性疾病，患者腦部發(fā)生脫髓鞘病變，進(jìn)而導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)少突膠質(zhì)細(xì)胞和軸突損傷[17]。在MS患者大腦和血液及腦部損傷的細(xì)胞表面均可檢測(cè)到Syncytin-1表達(dá)上調(diào)[18-19]。而針對(duì)Syncytin-1胞外段的抗體在患者血清和腦脊液中顯著升高，表明患者體內(nèi)存在針對(duì)Syncytin-1的免疫應(yīng)答[20]。

慢性炎性脫髓鞘多發(fā)神經(jīng)病變(chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy，CIDP)病理學(xué)表現(xiàn)為周?chē)窠?jīng)近端慢性脫髓鞘[17]。Syncytin-1在患者生物組織活檢中表達(dá)上調(diào)，可刺激神經(jīng)膜細(xì)胞﹝施萬(wàn)細(xì)胞(Schwann cell)﹞產(chǎn)生IL-6和C-X-C基序趨化因子10(C-X-C motif chemokine 10，CXCL10)，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞融合、增殖與轉(zhuǎn)化[21]。

1型糖尿病(type-1 diabetes，T1D)是一種復(fù)雜的自身免疫性疾病，患者體內(nèi)的免疫反應(yīng)導(dǎo)致胰腺β細(xì)胞受損。Syncytin-1在患者血清、外周血單核細(xì)胞、腺泡胰腺細(xì)胞中上調(diào)表達(dá)[22]，既可抑制胰島素分泌，又與胰腺中巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)相關(guān)，對(duì)于1型糖尿病的發(fā)病有雙重病理生理學(xué)作用[4]。

3.2 與神經(jīng)精神疾病相關(guān)

精神分裂癥患者存在認(rèn)知障礙，包括陽(yáng)性性狀(如妄想、幻覺(jué)等)和陰性癥狀(如消極行為等)。在患者腦部和血液中檢測(cè)到HERV-W的Pol、Gag和Env蛋白表達(dá)上調(diào)[23-24]，且針對(duì)HERV-W Pol蛋白的血清抗體水平顯著升高；但腦組織前扣帶皮質(zhì)和海馬回的神經(jīng)元以及星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Gag蛋白水平顯著降低[25-26]。

雙向情感障礙患者存在心理障礙，會(huì)經(jīng)歷亢奮期和抑郁期。研究發(fā)現(xiàn)，患者體內(nèi)Syncytin-1的表達(dá)水平升高，而神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的HERV-W Gag蛋白表達(dá)顯著下調(diào)[26-27]。

3.3 與癌癥相關(guān)

在膀胱上皮細(xì)胞癌組織(urothelial cell carcinoma，UCC)中，研究者發(fā)現(xiàn)了HERV-W 3′-LTR的突變，由于轉(zhuǎn)錄因子與突變位點(diǎn)結(jié)合Syncytin-1表達(dá)顯著上調(diào)，促進(jìn)了人尿道上皮細(xì)胞增殖，并參與膀胱上皮細(xì)胞癌的發(fā)生和發(fā)展[28]。

此外，在急性單核細(xì)胞白血病、淋巴瘤、乳腺癌、子宮內(nèi)膜癌、精原細(xì)胞瘤等患者體內(nèi)，Syncytin-1的RNA和蛋白表達(dá)水平均呈上調(diào)趨勢(shì)[29-33]，表明其有可能成為某些癌癥患者的生物標(biāo)志物。

3.4 與其他疾病相關(guān)

肌萎縮側(cè)索硬化癥患者腦部運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)區(qū)HERV-W env的轉(zhuǎn)錄水平降低[34]，但肌肉組織活檢中檢測(cè)到Env和Gag蛋白表達(dá)增加[35]。此外HERV-W在克雅病患者腦脊液以及感染人類(lèi)免疫缺陷病毒的母親體內(nèi)轉(zhuǎn)錄水平顯著升高[4，36]。

4 HERV-W致病機(jī)制

HERV-W病毒蛋白在正常成年人器官中的轉(zhuǎn)錄活性極低甚至沒(méi)有，但在自身免疫性疾病、精神類(lèi)疾病以及部分癌癥患者體內(nèi)處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)。HERV-W的激活受病毒感染或環(huán)境因素的調(diào)控[37]。

4.1 轉(zhuǎn)錄激活

4.1.1 病毒蛋白調(diào)控HERV-W轉(zhuǎn)錄激活多種病毒或病毒蛋白可引起HERV-W轉(zhuǎn)錄活性增加。

甲型流感病毒通過(guò)升高GCM基序蛋白1(GCM motif protein 1，GCM1)的轉(zhuǎn)錄水平及降低ERVWE1位點(diǎn)的甲基化水平，使HERV-W的轉(zhuǎn)錄去阻遏，從而激活HERV-W；通過(guò)干擾DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活力，使甲基化水平降低，從而激活HERV-W[38]。

乙型肝炎病毒(hepatitis B virus, HBV)可通過(guò)HBx蛋白(hepatitis B virus X protein)介導(dǎo)HERV-W的反式激活。HBx蛋白經(jīng)細(xì)胞核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)信號(hào)途徑上調(diào)人肝癌細(xì)胞中Syncytin-1的表達(dá)[39]。

Epstein-Barr病毒(Epstein-Barr virus，EBV)包膜糖蛋白GP350(glycoprotein 350，GP350)與白細(xì)胞分化抗原21(cluster of differentiation 21，CD21)結(jié)合誘導(dǎo)NF-κB的活化，而NF-κB與增強(qiáng)子結(jié)構(gòu)域內(nèi)相關(guān)元件結(jié)合在HERV-W激活過(guò)程中起重要作用[40]。

人巨細(xì)胞病毒(human cytomegalovirus，HCMV)調(diào)節(jié)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的活性，引起HERV-W啟動(dòng)子甲基化水平降低，從而激活HERV-W。而具有高HCMV載量的腎移植受者體內(nèi)HERV-Wpol轉(zhuǎn)錄水平顯著升高，可能是HCMV誘導(dǎo)的細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子增強(qiáng)了HERV轉(zhuǎn)錄活性[41-42]。

1型單純皰疹病毒(herpes simplex virus type 1，HSV-1)可誘導(dǎo)HERV-W的轉(zhuǎn)錄激活。細(xì)胞內(nèi)廣泛存在的轉(zhuǎn)錄因子八聚體結(jié)合蛋白1(octamer-binding protein 1，Oct-1)可能是HSV-1激活HERV-W的重要物質(zhì)。在神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系IMR-32中，HSV-1可誘導(dǎo)Gag蛋白和Env蛋白的上調(diào)表達(dá)[43]。

4.1.2 環(huán)境因素調(diào)控HERV-W轉(zhuǎn)錄活性除了病毒外，藥物等因素也會(huì)增強(qiáng)HERV-W的轉(zhuǎn)錄活性。研究發(fā)現(xiàn)，咖啡因和阿司匹林可促進(jìn)人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系SH-SY5Y中HERV-W Env和Gag蛋白的表達(dá)[44]。

4.2 HERV-W致病作用

HERV-W如同癌基因一樣，正常情況下，參與機(jī)體細(xì)胞的正常生理作用；異常情況下，則會(huì)引起宿主細(xì)胞的病理?yè)p傷。HERV-W編碼的包膜糖蛋白Syncytin-1可能與多種疾病的發(fā)生相關(guān)，其致病機(jī)制研究主要集中于Syncytin-1蛋白引起免疫炎癥方面。

具有超抗原特性的Syncytin-1在患者體內(nèi)表達(dá)上調(diào)，會(huì)導(dǎo)致自身反應(yīng)性T細(xì)胞異?；罨?，進(jìn)而引起促炎性細(xì)胞因子如TNF-α和IL-6的大量分泌，從而導(dǎo)致患者體內(nèi)炎癥反應(yīng)[45]。TLR信號(hào)途徑在微生物感染引起的天然免疫中起關(guān)鍵作用。Syncytin-1可與內(nèi)源性高效激動(dòng)劑TLR4相互作用，因Syncytin-1的促炎特性，影響腦部髓鞘再生過(guò)程；影響TLR4介導(dǎo)的一氧化氮合酶表達(dá)和硝基酪氨酸的形成，最終影響少突膠質(zhì)細(xì)胞分化和髓鞘表達(dá)[19]，引起小鼠模型中的星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞損傷，以及多發(fā)性硬化癥樣疾病[46]。Syncytin-1介導(dǎo)的特異性免疫反應(yīng)可能作為髓鞘蛋白的潛在分子模擬物而存在交叉反應(yīng)[47]。研究發(fā)現(xiàn)由Syncytin-1介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞極化作用可能引起患者的軸突損傷和神經(jīng)變性[48]。

本課題組也證實(shí)Syncytin-1可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)炎癥。在精神分裂癥患者中，Syncytin-1和炎癥標(biāo)志物C反應(yīng)蛋白(C-reactive protein，CRP)均上調(diào)表達(dá)且兩者間存在正相關(guān)；在小膠質(zhì)細(xì)胞中，Syncytin-1可通過(guò)與Toll樣受體3(toll-like receptor 3，TLR3)結(jié)合，誘導(dǎo)IL-6的表達(dá)，活化CRP，引起神經(jīng)炎癥[49]；一氧化氮(nitric oxide,NO)在細(xì)胞膜上自由擴(kuò)散作為神經(jīng)遞質(zhì)發(fā)揮作用，而Syncytin-1可增加精神分裂癥患者NO的產(chǎn)生和小膠質(zhì)細(xì)胞的遷移能力[50]；Syncytin-1蛋白表面還具有細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞(cytotoxic T lymphocyte，CTL)反應(yīng)的HLA-A*0201+限制性抗原表位[51]。

另外，Syncytin-1可直接調(diào)節(jié)瞬時(shí)受體電位陽(yáng)離子通道 C 亞族成員3(transient receptor potential cation channel subfamily C member 3，TRPC3)Ca2+通道，或通過(guò)下調(diào)精神分裂癥斷裂基因1(disrupted in schizophrenia 1，DISC1)激活TRPC3，使神經(jīng)細(xì)胞中Ca2+內(nèi)流[52]，進(jìn)而引起小電導(dǎo)Ca2+激活的K+通道蛋白3(small conductance calcium-activated channel，subfamily N，member 3，KCNN3，SK3)的開(kāi)放[53]。Syncytin-1過(guò)表達(dá)可激活糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK3β)信號(hào)傳導(dǎo)途徑，致GSK3β的9位絲氨酸的磷酸化水平升高及GSK3β活性下降[54]；環(huán)磷酸 腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cyclic adenosine monophosphate response element-binding protein，CREB)的磷酸化水平升高誘發(fā)大腦神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的表達(dá)上調(diào)。此外還可調(diào)控神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)型酪氨酸激酶受體2及多巴胺受體D3的表達(dá)[55]。

總結(jié)以上研究，我們提出一個(gè)假說(shuō)：Syncytin-1蛋白受外界因素的影響在神經(jīng)細(xì)胞中高表達(dá)，“觸發(fā)”(trigger)精神分裂癥相關(guān)基因的異常表達(dá)，引起神經(jīng)炎癥，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞異常，最終引發(fā)精神分裂癥。Syncytin-1在此過(guò)程中起著重要的“橋梁”(bridge)作用(圖1)。

圖1ERVWE1(Syncytin-1)參與疾病的可能機(jī)制

Fig.1 Possible mechanisms ofERVWE1(Syncytin-1)involved in diseases

5 GNbAC1——靶向Syncytin-1的治療方法

人源化的GNbAC1是IgG4單克隆抗體，通過(guò)特異性結(jié)合Syncytin-1的胞外段，特異性中和其結(jié)合TLR4的能力，在體內(nèi)外均可抑制TLR4的促炎特性，減少I(mǎi)L-6和TNF-α的釋放[45]，而且還能抑制IL-6和CXCL10上調(diào)表達(dá)。

GNbAC1可能促進(jìn)MS患者的髓鞘再生過(guò)程，目前已在33名健康受試者的Ⅰ期臨床試驗(yàn)和10名MS患者Ⅱa期的12個(gè)月臨床實(shí)驗(yàn)中評(píng)估GNbAC1作用，發(fā)現(xiàn)其具有良好的安全性及血流動(dòng)力學(xué)特性。接受治療后大多數(shù)患者HERV-W的轉(zhuǎn)錄水平下降，腦部病變狀況穩(wěn)定[56]。針對(duì)270名患者Ⅱb期的臨床實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，患者腦萎縮程度下降[57]。

GNbAC1靶向治療MS、CIDP和1型糖尿病等疾病的臨床研究正在進(jìn)行中，為相關(guān)疾病的治療提供了一種新的選擇。

6 結(jié)語(yǔ)

HERV-W與人類(lèi)健康密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，HERV-W編碼的ENV蛋白(Syncytin-1)在多種信號(hào)通路中起調(diào)控作用，可能作為環(huán)境因素與遺傳因素間相互作用的“橋梁”，在自身免疫性疾病與精神疾病的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中扮演重要的角色。而針對(duì)此蛋白的人源化單克隆抗體GNbAC1已用于MS的臨床研究，并具有較好的結(jié)果。因此，對(duì)HERV-W Syncytin-1 的研究，可為新藥研發(fā)提供潛在的作用靶標(biāo)。

對(duì)于HERV的研究，還可在臨床器官移植過(guò)程中發(fā)揮重要作用。人體異種器官移植最合適的供體之一是豬，但豬體內(nèi)存在的ERV有感染人類(lèi)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，而使用CRISPR/Cas9基因靶向修飾ERV聚合酶基因構(gòu)建的基因工程豬，可能為患者臨床治療提供新希望[58]。因此HERV的研究對(duì)于人類(lèi)健康意義重大。

此外，HERV-W編碼的Gag蛋白在精神疾病等患者體內(nèi)也存在表達(dá)異常的狀況，這些蛋白的致病機(jī)制尚不明確。針對(duì)此類(lèi)蛋白的探索，可為研究HERV-W提供新的方向。