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新冠病毒会整合到人类基因组?
自疫情暴发以来,新冠肺炎患者康复后,出现复阳而非再感染现象,在病毒没有繁衍的情况下,新冠病毒RNA持续被检出的一个可能解释是:在某些情况下,病毒亚基因组RNA的DNA拷贝可能通过逆转录机制整合到宿主细胞的DNA中。整合到人类基因组中的新冠病毒DNA拷贝,可以再次转录成新冠病毒RNA。
2020年12月13日,MIT Rudolf Jaenisch在bioRxiv上发表了一篇名为“SARS-CoV-2 RNA reverse-transcribed and integrated into the human genome”的论文,该研究通过在体外细胞研究发现,新冠病毒可以通过LINE-1逆转录转座子或者是HIV感染者体内的HIV-1反转录酶,可以把新冠病毒的核酸序列信息片段整合到人类基因组中,根据他们的研究认为,SARS-CoV-2 RNA可以逆转录并整合到过量表达逆转录酶的细胞中的人类基因组中(Zhang et al., 2021)。
医学核心期刊《细胞》在2021年2月9日发表的In vivo structural characterization of the SARS-CoV-2 RNA genome identifies host proteins vulnerable to repurposed drugs一文表示,新冠病毒是冠状病毒科的RNA病毒,其基因组是大约30kb的单链正链RNA,其基因组可以被翻译成蛋白质,并且充当复制和转录的模板(Sun et al., 2021)。
2021年5月25日,Rudolf Jaenisch 团队经过补充和完善研究,在《美国科学院院刊》(PANS)正式发表,提出新型冠状病毒(SARS-CoV-2) 序列可以通过逆转录过程整合到宿主细胞的基因组中,然后基因组的这些部分可以被读取成RNA,这些RNA可能被核酸检测检出(Zhang et al., 2021)。
新冠病毒并不是唯一一种整合到人类基因组中的病毒,我们人体内约有8%的DNA是由古代病毒残余组成。
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病毒与人类
病毒是一类由遗传物质(脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA))和蛋白质组成的生物大分子。其利用宿主细胞内的代谢系统进行自身繁殖。
病毒感染宿主后,将自己的遗传信息留在宿主体内。人类基因组的8%都来自病毒的DNA片段,它们的数量大概有10万个(Dong et al., 2020)。这些与人俱进的病毒片段被称作“HERV”, 即人类内源性逆转录病毒(Human endogenous retrovirus,HERV)。这类病毒遗传物质获得感染生殖细胞(卵子或者精子)的能力,在数百万年的繁衍中融入人类DNA。
HERV这些病毒有些很古老,年龄甚至可追溯至上千万年前,某些HERV序列一直活跃至今,发挥着重要的生物学功能。对HERV的研究主要集中在HERV-W、HERV-K和HERV-H家族:HERV-W是人基因组中重要成员,其Env基因编码的包膜蛋白在胎盘形态发送中发挥着关键作用;HERV-K是目前HERV中最年轻且唯一具有完整前病毒序列的成员,在人基因组中处于活跃状态,其表达与肿瘤的发生相关;HERV-H在人基因组中的数量最多,其编码的包膜蛋白具有免疫抑制活性。
目前有研究发现,人内源性逆转录病毒也存在于古猿,旧世界和其他哺乳动物中。有证据表明,在灵长类和人类出现很早以前,一些人内源性逆转录病毒就已入侵脊椎动物的基因组。如已在爬行动物、鱼类中检测到HERB-S/L 反转录元件,估计HERB-L序列已定植于胎盘哺乳动物的基因组中100万年以上(Griffiths et al., 2001)。此外HERV-F/H和HERV-FRD在8000万~5000万年前就已插入古老的人基因组,并可能存在于所有现存灵长类,甚至一些原猴类中,相对较”年轻“、物种特异的人内源性逆转录病毒,如人类特有的HML-2元件,在80万~15万年前就整合到基因组中。其他一些内源性逆转录病毒,如存在于黑猩猩和大猩猩基因组中的PtERV1 1 反而在人基因组中被剔除(Yohn et al., 2005)。
大约在3000万年前,一种病毒感染了我们灵长类祖先,随着时间推移,这种病毒基因逐渐被驯化。它帮助灵长类动物抵御其他的病毒,阻止它们进入细胞,被称为SUPYN。这种病毒性的外壳可能有助于胎盘免受病毒感染,Suppressyn (SUPYN)在早期人类胎盘中产生的蛋白质,没有它,胎盘的进化就有可能不会发生(Frank et al., 2022)。
健康的新生儿通常出生时缺乏肠道病毒组或微生物组,先驱细菌在新生儿的肠道内定植,到第四个月,可以检测到更多感染人类细胞的病毒,母乳喂养可以抑制这些病毒。母乳的保护作用可以由母体免疫细胞或各种大分子靶向病毒赋予,这些包括母体抗体、人乳寡糖、乳铁蛋白等。HSV:孢疹病毒;VZV,水痘带状疱疹病毒。
HERV的分类学研究通常采用系统发育方法,主要依赖高度保守的pol基因序列相似性进行分析。完整的HERV结构由基因gag 、pro、pol与env以及两个长末端重复序列(long terminal repeat,LTR)组成,gag基因主要编码病毒的结构蛋白;pol基因主要编码参与病毒复制过程的酶,如逆转录酶,整合酶等,env基因编码的包膜蛋白由胞外段和跨膜段组成,可辅助病毒的侵袭和感染;LTR包含HERV转录必需的启动子和增强子,调节HERV家族基因的表达。研究发现,HERV参与疾病息息相关。
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病毒与疾病
乙肝病毒
乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)是DNA病毒,它是感染人类细胞之后,会进入到细胞核,可以整合进入人类的DNA,或者在细胞核里面形成超螺旋的共价、闭合、环状DNA分子(covalently closed circularDNA,cccDNA)。cccDNA在细胞核里面,不容易被抗病毒药物杀灭,所以,乙肝很难根治,吃药只能抑制乙肝病毒复制,不能完全清除病毒。
HIV
艾滋病病毒HIV属于逆转录病毒。如果逆转录病毒钻到了卵子或者精子里面,那么宿主的下一代就有可能也携带着它们。一旦逆转录病毒被宿主一代代遗传下去,它们就会变成内源性逆转录病毒(endogenous retrovirus)。
乳腺癌
研究者检测人内源性逆转录病毒K(human endogenous retrovirus,HERV-K)包膜(env)基因在不同乳腺组织中mRNA及蛋白的表达状况,分析其表达在乳腺癌患者临床病理学特征及预后的相关性。研究结论显示:HERV-K env mRNA在正常乳腺组织、与癌组织相匹配的癌旁未受累乳腺组织以及乳腺癌组织中的阳性表达率依次升高且呈连续性,表明HERV-K env的表达可能与乳腺癌的发展有关。HERV-K env蛋白在乳腺癌组织中多呈中强阳性表达,而在乳腺良性肿瘤组织中多呈阴性或弱阳性表达,提示HERV-K env蛋白可能是判断乳腺肿瘤良恶性的指标之一。HERV-K env蛋白的表达水平与患者的肿瘤大小、临床分期、腋窝淋巴结转移数目存在相关性,且与乳腺癌患者的预后不良有关,其表达水平可能与乳腺癌的转移进展有关(耿姗姗,2011)。
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参考文献:
1.DONG Huiyu, LI Lingfei, LIU Peifeng, ZHANG Junzhi, QIANG Zhimin. Inactivation of virus by drinking water disinfection process[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(7): 1718-1727. doi: 10.12030/j.cjee.202002138
2.Frank JA, Singh M, Cullen HB, et al. Evolution and antiviral activity of a human protein of retroviral origin. Science.2022;378(6618):422-428. doi:10.1126/science.abq7871
3.Humans are 8% virus – how the ancient viral DNA in your genome plays a role in human disease and development.
4.Griffiths D J. Endogenous retroviruses in the human genome sequence. Genome Biol, 2001, 2: 1017.
5.Liguo Zhang. SARS-CoV-2 RNA reverse-transcribed and integrated into the human genome J Med Res 2021;6(1):1-20
6.Sun L, Li P, Ju X, et al. In vivo structural characterization of the SARS-CoV-2 RNA genome identifies host proteins vulnerable to repurposed drugs.Cell.2021;184(7):1865-1883.e20. doi:10.1016/j.cell.2021.02.008
7.Yohn C T, Jiang Z, McGrath S D, et al. Lineage-specific expansions of retroviral insertions within the genomes of African great apes but not humans and orangutans. PLoS Biol, 2005, 3: e110.
8.Zhang L, Richards A, Barrasa MI, Hughes SH, Young RA, Jaenisch R. Reverse-transcribed SARS-CoV-2 RNA can integrate into the genome of cultured human cells and can be expressed in patient-derived tissues. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021;118(21):e2105968118. doi:10.1073/pnas.2105968118
9.耿姗姗. 人内源性逆转录病毒包膜(HERV-KenV)基因在乳腺癌中的表达及意义[D]. 天津医科大学, 2011.