Transcription, splicing and genetic structure within the human endogenous retroviral HERV-H family.

Abstract

Human endogenous retroviruses (HERVs) are remains of ancient retroviral infections of the germ line and constitute as much as 3 % of the human genome. HERVs are genetic elements that potentially may provide important biological functions by several different mechanisms. The ability to transpose long after the initial insertion into the germ line may provide a potent source of insertional mutagenesis, influencing adjacent cellular genes by the promoter and enhancer functions of the retroviral long terminal repeats (LTRs). Expression of retroviral proteins in human cells may provide important functions both for a resistance to infections by exogenous retroviruses and for normal cell function in the placenta and immune cells. Many of these postulated actions would act through the envelope (Env) glycoproteins, which possess fusogenic and immunosuppressive properties. In the present investigation, various aspects of one of the largest HERV families, HERV-H, was studied. First, HERV-H transcripts potentially encoding immunosuppressive Env proteins were detected in various cell types, e. g. leukocytes and brain tissue. Then the splicing pattern of HERV-H transcripts coding for Env proteins were studied, disclosing complex alternative splicing. Hybrid spliced transcripts containing sequences from HERV-H and another family, HERV-E, were also characterized in these studies. Lastly, the first example of a coding-competent HERV-H element was isolated, possessing a complete open reading frame for the Env protein. The combined results may provide an important basis for studying the presence of immunosuppressive Env protein-encoding HERV-H elements and the expression and function of these proteins.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Den mänskliga arvsmassan består bara till en begränsad del av gener som kodar för proteiner som används för livsnödvändiga funktioner. Så mycket som 50 % eller mer består av repetitiva sekvenser, dvs sådana DNA element som finns i 100-100.000-tals mer eller mindre identiska kopior. Man kan säga att dessa är genetiska parasiter som använder sig av den mänskliga cellens energi för att kopieras vid normal celldelning. Dessutom sprider de sig kontinuerligt genom att kopior av de repetitiva elementen "hoppar" till nya positioner i arvsmassan. Denna process kallas transposition och de hoppande elementen kallas sålunda transposoner. Effekten av att en transposon sätter sig in i en gen kan bli att denna gen slutar att vara funktionell, dvs vi har fått en skadlig mutation. Vissa fall av cancer och blodsjukdomar har visat sig bero på sådana nyintegreringar av transposoner. En väl avgränsad familj av transposoner har starka likheter i genetisk struktur med infektiösa retrovirus, vilka är välkända sjukdomsalstrare hos människa och djur. Dessa transposoner kallas humana endogena retrovirus (HERVs). Ett gemensamt drag hos alla retrovirus är att de har en livscykel som innefattar ett steg där den virala arvsmassan, som föreligger som RNA i viruspartiklar, kopieras till DNA. Denna process sker i motsatt rikning mot det vanliga informationsflödet i alla organismer, dvs DNA > RNA > protein, och åstadkoms av ett viralt enzym, reverst transkriptas. Man tror att HERVs är rester från gamla infektioner av retrovirus som har satt sig in i DNA hos könsceller eller det tidiga embryot och sedan följt med i arvsmassan som en integrerad kopia, ett s.k. provirus, i alla celler hos avkomman. Många HERVs är väldigt lika många djurretrovirus som åstadkommer immunosuppression och olika cancerformer, t.ex. leukemi och bröstcancer i sina värddjur. Retrovirus är emellertid inte överdrivet värdspecifika utan kan hoppa mellan olika arter. T.ex. har överföringar mellan gnagare och kattdjur, liksom mellan däggdjur och fåglar konstaterats. Det mest kända humana retroviruset, HIV, har nära släktingar hos flera aparter och tros ha sitt ursprung därifrån. HIV har dock aldrig visats ha integrerat som ett HERV. Hur kan då vi, liksom andra djur, överleva med dessa potentiellt livsfarliga virala element som integrerade delar av vårt eget genom? Det anses att vi har utvecklat försvars- mekanismer som trycker ner uttrycket av virala gener, t. ex. genom metylering av repetitiva sekvenser i arvsmassan, vilket förhindrar produktion av RNA. Med tiden uppstår även mutationer i de virala generna som gör dessa ofunktionella. De flesta HERV elementen är antagligen "tysta" eller muterade till oigenkänlighet. Det finns dock exempel på att HERVs kan vara i högsta grad levande och uttrycka virala proteiner. Ett gemensamt drag för HERVs är att om de uttrycks, så gör de det oftast i nära anslutning till embryonal vävnad, t. ex. i placenta (moderkakan). Man har spekulerat om detta kan innebära att vi, liksom alla andra däggdjur, drar fördel av vissa egenskaper hos retrovirala proteiner vid uppkomsten av placenta och skydd av fostret mot moderns immunförsvar under graviditeten. Andra möjliga fördelar av att låta retrovirala gener vara påslagna kan vara att skydda oss från nya retrovirala infektioner genom receptorinterferens, vilket innebär att cellens ytproteiner som används av viruset för att ta sig in i cellen redan är upptagna av HERV proteiner. Det senare alternativet har visat sig vara viktigt hos möss vid skydd mot retrovirusinfektioner. Även om kroppen i normala fall har full kontroll över HERV elementen kan det tänkas att dessa kan aktiveras under vissa omständigheter, t.ex. genom stress av olika slag. Hos djur har en rad olika kemiska ämnen, radioaktiv strålning, UV-strålning och magnetiska fält visats kunna aktivera endogena retrovirala element. En aktivering av HERVs skulle kunna leda till sjukdomstillstånd, dels genom direkt inverkan av retrovirala proteiner, som t.ex. ofta uppvisar en immunosuppressiv effekt, eller genom ökad transposition med medföljande mutationer som kan leda till cancer. Vare sig HERV element betraktas som tämjda och nödvändiga delar av vår arvsmassa eller som potentiella sjukdomsalstrare, så är de immunosuppressiva egenskaperna hos retrovirala ytglykoproteiner (Env-proteiner) antagligen viktiga. I min forskning har jag inriktat mig på att försöka hitta HERV element som kan koda för sådana proteiner. Eftersom det finns så många likartade provirus, varav den överväldigande majoriteten är starkt muterade och ej har funktionella gener, så är problemet initiellt att identifiera de provirus som har funktionella gener. I mitt fall har jag arbetat med HERV-H familjen, som består av ca. 1000 genomiska element. Man har ej tidigare hittat HERV-H element med funktionella gener, men flera tecken tyder på att de skulle kunna koda för immunosuppressiva Env proteiner. Efter olika steg av allmän karakterisering av HERV-H RNA-uttryck och struktur hos Env- kodande gener (env) så har jag till slut isolerat ett HERV-H element som har en env gen som kan koda för ett komplett Env protein. Man skulle kunna använda denna gen för att testa olika egenskaper hos HERV-H Env proteiner, t.ex. receptor-specificitet och immunosuppression. Det har tidigare bara isolerats ett fåtal HERV element som kan koda för Env protein och min upptäckt skulle kunna bidraga till att öka kunskapen om dessa och deras funktion i mänskliga celler.

• author: Lindeskog, Mats
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Larsson, Erik, Department of Pathology, Uppsala University, Uppsala
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: Microbiology, immunosuppressive envelope protein, RNA splicing, Human endogenous retrovirus, transcription, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 142 pages
• defense location: Hospital lecture hall 1
• defense date: 1999-05-20 13:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEIN--1036--SE
• ISBN: 91-628-3611-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: d4790b4e-b1e8-4a8c-87fa-a4844ffa0f31 (old id 39517)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:35:07
• date last changed: 2018-11-21 20:59:37