Architecture moléculaire et conservation d'un rétrovirus endogène humain immature

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 5149 (2023) Citer cet article

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Le rétrovirus endogène humain K (HERV-K) est le rétrovirus endogène le plus récemment acquis dans le génome humain et est activé et exprimé dans de nombreux cancers et dans la sclérose latérale amyotrophique. Nous présentons la structure immature de la capside HERV-K à une résolution de 3,2 Å déterminée à partir de particules natives ressemblant à des virus par tomographie cryoélectronique et moyenne de sous-tomogramme. La structure montre une unité hexamère oligomérisée à travers un faisceau de 6 hélices, qui est stabilisée par une petite molécule analogue à IP6 dans la capside immature du VIH-1. Le réseau immature HERV-K est assemblé via des interfaces dimères et trimères hautement conservées, comme détaillé par des simulations de dynamique moléculaire de tous les atomes et soutenu par des études mutationnelles. Un changement conformationnel important médié par le lieur entre les domaines N-terminal et C-terminal de CA se produit au cours de la maturation de HERV-K. La comparaison entre HERV-K et d’autres structures de capsides rétrovirales immatures révèle un mécanisme hautement conservé pour l’assemblage et la maturation des rétrovirus à travers les genres et le temps évolutif.

Lorsque le génome humain a été séquencé pour la première fois, il a été constaté qu’environ 8 % pouvaient être classés dans la vaste classe des rétrovirus endogènes humains (HERV)1. Ces virus se sont intégrés dans le génome pendant des millions d’années et la plupart ont accumulé des mutations les rendant non infectieux. HERV-K (HML-1 à HML-10) est le groupe de virus le plus récemment incorporé et le plus actif, en particulier son sous-groupe HML-2. HERV-K est présent avec des centaines de copies dans le génome et certaines copies de HERV-K consistent en un cadre de lecture ouvert complet avec toutes les protéines structurelles et régulatrices présentes, mais aucune ne peut compléter un cycle de vie viral en raison de mutations dans certaines protéines. Bien que HERV-K ne soit pas exprimé dans les cellules adultes saines, certains loci sont régulés positivement dans divers cancers2,3,4,5,6, dans la sclérose latérale amyotrophique (SLA)7, lors d'une infection par le VIH-18 et, plus récemment, dans les organes et tissus. de primates et de souris âgés9,10. Lorsque des copies de HERV-K sont exprimées dans ces cellules, elles peuvent produire des particules pseudo-virales (VLP) non infectieuses. Cependant, il a été démontré qu'une séquence consensus basée sur dix provirus complets de HERV-K, appelée KERV-Kcon, produit des virions infectieux11,12, dont le cycle de vie est inhibé par divers facteurs de restriction tels que la tetherin et les membres de la famille APOBEC qui restreindre les rétrovirus exogènes. Par conséquent, HERV-K sert de paradigme pour la compréhension de l’architecture et des propriétés des rétrovirus endogènes lorsqu’ils sont intégrés dans le génome humain il y a des milliers d’années. Ils constituent un registre fossile conservé dans nos génomes et fournissent un modèle de conservation qui a évolué au fil de millions d'années d'interaction entre les rétrovirus et leurs hôtes. De plus, HERV-K revêt également une importance médicale dans la mesure où les VLP HERV-K induisent la sénescence dans les jeunes cellules10 et qu'un certain nombre de gènes sont sous un contrôle transcriptionnel défini par les locus HERV-K au cours de la tumorigenèse13.

Sur le plan phylogénétique, HERV-K appartient au supergroupe de type bêtarétrovirus, car sa séquence est très similaire à celle du virus des tumeurs mammaires de la souris (MMTV) 14,15. La principale protéine structurelle Gag est suffisante pour que HERV-K produise des VLP immatures. Lors de la maturation, Gag est clivé par sa protéase en matrice (MA, se lie à la membrane), p15, capside (CA, forme le noyau interne), nucléocapside (NC, se lie à l'ARN) et trois peptides espaceurs (SP1, QP1 et QP2) 16,17. La structure mature de la capside HERV-K a été récemment élucidée par cryoEM à particule unique, en utilisant des assemblages in vitro de protéine de capside (CA) HERV-Kcon recombinante. Cependant, la structure immature de HERV-K Gag et son assemblage sous forme de réseau immature restent insaisissables.

Nous présentons ici une étude cryoET des VLP immatures natives HERV-Kcon Gag libérées par des cellules humaines. Il est intéressant de noter que les VLP HERV-Kcon Gag sont beaucoup plus grandes que les autres rétrovirus connus, avec un espace considérablement plus grand entre la membrane et la couche de capside. Nous avons utilisé le cryoET et la moyenne de sous-tomogramme (STA) pour déterminer la structure du domaine HERV-K CA de Gag immature à une résolution de 3,2 Å. Sa structure globale est analogue à celle des autres rétrovirus, démontrant une forte conservation entre les rétrovirus humains endogènes et exogènes. Alors que les domaines individuels N-terminal (NTD) et C-terminal (CTD) de la capside sont structurellement conservés entre les formes matures et immatures, la charnière entre ces deux domaines est cependant différente, conduisant à des orientations NTD et CTD très différentes. et par conséquent des réseaux distincts pour le HERV-K mature et immature. La présence d'une densité conservée au sommet du faisceau à 6 hélices (6HB) de l'hexamère CA immature, coordonnée par deux anneaux de résidus lysine conservés, suggère un mécanisme remarquablement similaire des hexaphosphates d'inositol (IP6) dans l'assemblage HERV-K et infection par rapport à IP6 dans le VIH-1 et d’autres rétrovirus tels que l’EIAV et le RSV19,20,21.