Human Endogenous Retroviruses: Studies on Transcriptional Activity and Genetic Variability.

Abstract

Endogenous retroviruses (ERVs) are believed to be remains of germ-line infections that have become fixed in the population. They are involved in pathophysiological conditions, in mechanisms leading to infection protection, and directly in the physiology of the organism by participating in the regulation of cellular gene expression. It has been estimated that human ERVs (HERVs) make up about 0.6% of the total human DNA content. This study was undertaken to gain insight into the structure and activity of HERV elements.



Initially, we used a PCR-based screening method to identify new HERV sequences by utilizing primers corresponding to conserved regions of infectious and endogenous retroviral gag, pol and env sequences. In one study we identified a set of novel pol sequences, related to the mouse mammary tumour virus (MMTV), which were assigned to six distinct groups (HML-1 to HML-6). We subsequently characterized full-length elements of two HML groups, named HERV- K(HML6) and HERV-K(HML1). In another study, mouse leukemia virus (MLV)-related env sequences encoding putative immunosuppressive sequences were identified.



We investigated the ability of these sequences to be expressed at the RNA-level. The results revealed a differential transcription pattern in human tissues. In addition, the level of transcripts differed between individuals. These studies show that HERV sequences are regulated in a complex fashion.



We also screened human DNA for functional HML reverse transcriptase (RT)-encoding sequences. We found that clones belonging to the HERV-K family produced fusion proteins after induction in E.coli. Enzyme assays indicated that some proteins displayed RT activity, but further investigations are needed to establish this relationship.



In conclusion, we have identified novel HERV sequences, some of which were shown to be full-length retroviral structures. The present investigation also established that HERVs are expressed at different levels in many tissues and cells, which may be of significance. The data presented here will improve the classification of HERV-K related elements and allow detailed studies of a subset of HERV elements.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Retrovirus är en stor grupp av virus som infekterar djur och människor och kan ge upphov till olika slags sjukdomar. Hos människa finns tre olika grupper av retrovirus. Det mest kända är HIV (humant immunbrist virus) och infektion av detta leder i många fall till AIDS. Andra mänskliga retrovirus är HTLV, humant T-cells leukemi virus, och humant spumavirus. Förutom dessa finns det många retrovirus som infekterar andra däggdjur och vertebrater.



Retrovirus interagerar med sina värdar på många olika sätt, beroende på vilka slags celler de infekterar. Efter det att ett retrovirus kommit in i cellen, sätter det sig (integrerar) i värdcellens DNA. Detta är nödvändigt för att retroviruset skall kunna replikera sig, dvs producera nya kopior av sig själv. När det väl har integrerats in i cellens genom, överförs det passivt till nya celler under celldelningen. Viruset kan sedan vid en viss tidpunkt starta sin replikering, vilket leder till produktion av viruspartiklar. Dessa kan i sin tur infektera nya celler hos sin värd eller föras över till andra individer. Virus, som sprider sig på detta sätt, kallas infektiösa, eller exogena, retrovirus.



En unik egenskap hos retrovirus är deras nära association med cellens genetiska material. En infektion leder till en mer eller mindre stabil integration och därmed tillförsel av nytt genetiskt material in i värdens celler. Retrovirus kan också infektera könsceller. Infektion och stabil integration av retrovirus i dessa celler innebär att virus-DNA överförs från generation till generation likt annat genetiskt material. Virus, som sprider sig på detta sätt, kallas för endogena retrovirus. Alla däggdjur som undersökts har endogena retrovirus som en del av sitt normala DNA. Bäst kartlagda är endogena retrovirus från möss och kycklingar. I många fall har det visat sig att endogena retrovirus är inaktiva, men vissa har fortfarande förmåga att uttryckas och därmed påverka sin värdorganism. Vissa endogena retrovirus hos möss är inblandade i uppkomsten av leukemi och bröstcancer. I vissa fall har endogena retrovirus visats ha aktivera och styra uttrycket av cellulära gener.



Endogena retrovirus finns också hos människa, och varje cell innehåller flera tusen kopior av sådana retrovirus. Man har uppskattat att ca 0.6% av det totala genetiska materialet utgörs av endogena retrovirus. Människans endogena retrovirus är mest lika de infektiösa retrovirusen MMTV (musbröstcancervirus) och MLV (musleukemivirus). Man har inte hittat några endogena retrovirus som är lika HIV eller HTLV. De flesta humana endogena retrovirusen (HERV) tros vara spår av gamla infektioner. Vissa HERV har lokaliserats på samma platser i både human- och andra primatgenom, och har på detta sätt kunna daterats vara rester av alltifrån mer än 40 miljoner till ett par miljoner år gamla integrationer. De flesta HERV som har isolerats är defekta, och det har i många fall ansetts att HERV enbart utgör "skräp DNA". Det har emellertid visat sig att en del av dessa HERV inte är helt inaktiverade. Cellens DNA kodar för de slutprodukter som behövs för att cellfunktionen skall upprätthållas, dvs proteinerna. Dessa behövs för att de funktioner som är nödvändiga för en organisms överlevnad skall kunna utföras. DNA som kodar för ett visst protein kallas gener. Proteiner tillverkas i cellen från det kodande DNAt via en intermediär produkt, mRNA (messenger eller budbärar RNA). mRNA innehåller den geninformation som behövs för att tillverka ett protein. Olika celler har olika funktioner, och producerar därför enbart vissa protein. Cellen styr proteinuttrycket bla genom att inaktivera DNA som kodar för gener som inte är nödvändiga för att cellen skall kunna utöva sina uppgifter. Vissa HERV transkriberas, dvs de uttrycks på mRNA nivå, och har i en del fall även påvisats vara uttryckta som protein. I och med att HERV uttrycks både som mRNA och protein har det spekulerats ifall HERV kan vara inblandade i uppkomst av sjukdom, eller ha andra funktioner i cellen. Somliga HERV bildar även viruspartiklar och det har påvisats att de också är inblandade i cellulär genreglering. Tex, amylasproduktionen i saliv regleras av ett HERV element hos människa och vissa primatarter. De primater som saknar detta element producerar enbart amylas i bukspottkörteln. Amylas i saliv ger en söt smak åt stärkelse och sådan föda skulle inte vara så aptitlig om vi inte hade en HERV på rätt plats i vårt DNA!



Syftet med denna studie har varit att identifiera nya HERV, studera om de har samma genetiska uppbyggnad som infektiösa retrovirus, samt att studera dessa elements transkription och eventuella funktion. Våra studier bygger på användningen av PCR (Polymerase Chain Reaction), vilken kan beskrivas som en metod att specifikt anrika, eller amplifiera, en viss DNA region. Detta kan uppnås genom att utnyttja specifika DNA-bitar (sk primer) som passar i ändarna till det DNA man vill amplifiera. Vi har utnyttjat regioner av retrovirus som uppvisar DNA-likhet mellan olika retrovirus, sk konserverade regioner. Genom att använda PCR med primers från konserverade retrovirala regioner har vi identifierat nya humana DNA retrovirus-sekvenser. Vi har också påvisat att dessa HERV är uttryckta som mRNA. Vi har speciellt studerat uttrycket av RNA i friska människor. Vi fann att olika HERV uttrycks i olika organ, och att nivån varierade mellan individer, och att koncentrationen av dessa RNA varierade märkbart. Liksom andra cellulära gener regleras tydligen uttrycket av HERV RNA organspecifikt och vid olika tidpunkter.



Vissa av de HERV-regioner vi identifierade med PCR visade sig vara organiserade som infektiösa retrovirus. De element vi studerat tillhör nya grupper av HERV. Vissa av dessa har en sådan struktur att de kan producera proteiner, medan andra visade sig vara oförmögna att bilda protein.



Resultaten från våra studier visar att det finns en stor variation av HERV-element i humant DNA. Dessa HERV uppvisar en stor variation i fråga om organspecificitet och nivå av transkription. Vissa PCR-amplifierade HERV-regioner visades efter ytterligare analyser ha typisk genomisk retroviral struktur. Våra resultat kommer att vara till hjälp för detaljerad kartläggning av specifika HERV, vid klassificeringen av HERV, och hur retrovirus har utvecklats och skapats

• author: Medstrand, Patrik
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Leib-Mösch, Christine, Institut fur Molekulare Virologie, GSF-Forschungszentrum fur Umwelt und Gesundheit GmbH, Neuherberg, Oberschleissheim, Germany.
• organization: Clinical Virology, Malmö (research group)
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: virology, bacteriology, HERVs, Human endogenous retrovirus sequences, reverse transcriptase, Microbiology, differential RNA expression., mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 176 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocentrum, Sölvegatan 17, Lund.
• defense date: 1996-12-03 10:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUDMEDW/MEMI--1027--SE
• ISBN: 91-628-2264-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 39b9d799-1ebd-4853-8439-1acb0c8d5925 (old id 28797)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:44:32
• date last changed: 2019-07-01 02:16:19