人內源性逆轉錄病毒W家族與疾病相關性的研究

李旭航，朱帆

病毒學國家重點實驗室，武漢大學基礎醫學院，武漢 430071

內源性逆轉錄病毒(endogenous retroviruses，ERV)在幾百萬年前侵入宿主生殖細胞或胚胎干細胞并將基因序列整合進入宿主基因組，以垂直傳播遺傳給子代，經過長年的進化，已成為宿主基因組的一部分[1]。20世紀60年代后期采用病毒學、免疫學及孟德爾遺傳學相結合的方式發現了禽白血病病毒、鼠白血病病毒和鼠乳腺腫瘤病毒，證實了ERV的存在[2]。目前在所有的脊椎動物體內均發現了ERV序列[3]。

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

1 HERV

HERV于1982年被發現[5]，約占人類基因組的8%～12%[1]。在進化過程中，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，進而影響其在個體間的水平傳播。然而仍有部分HERV家族成員或保留了病毒所有蛋白的開放讀碼框架或可編碼部分病毒來源的產物[6]。

1.1 命名與分類

逆轉錄病毒的類別眾多，針對HERV的統一命名，既有利于對基因組信息進行注釋，又可用于研究HERV對宿主基因組的影響。一般以在ERV前添加字母表示所屬物種，以及用病毒引物結合位點所結合的第1個氨基酸命名。

HERV的分類學研究通常采用系統發育方法，主要依據高度保守的pol基因序列相似性進行分析。已發現的HERV家族成員有70個，其中經典的有39個，主要分為3個類別：Ⅰ類(gamma-like)、Ⅱ類(beta-like)和Ⅲ類(spume-like)，見表1；非經典的有31個，被歸為epsilon-like等未分類組[7]?；赗epeatmasker和Retrotector等新技術的應用及對HERV的深入研究，有人提出了兼顧傳統命名方式、序列相似度與分子進化以及病毒結構與功能的新分類方法，但目前尚未形成系統[8]。

1.2 結構

完整的HERV結構由基因gag、pro、pol與env及兩個長末端重復序列(long terminal repeat，LTR)組成。gag基因主要編碼病毒的結構蛋白；pol基因主要編碼參與病毒復制過程的酶, 如逆轉錄酶、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轉錄必需的啟動子和增強子，調節HERV家族基因的表達[9]。

表1 HERV分類及主要成員

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 簡介

HERV-W屬于Class Ⅰ(γ逆轉錄病毒相似元件)家族成員。1989年Perron團隊從MS患者體內分離到一種HERV顆粒，命名為多發性硬化相關逆轉錄病毒(multiple sclerosis associated retrovirus，MSRV)[10]；此后與MSRV同源的序列在人類基因組中被發現，因此，統一命名為HERV-W[11]。位于7號染色體上的包膜蛋白基因(HERV-Wenv，又稱ERVWE1)可編碼ENV蛋白，主要在人胎盤中表達，參與合胞體形成并介導滋養層細胞融合，故又名為Syncytin-1。Syncytin-1可與中性氨基酸轉運蛋白A(neutral amino acid transporter A，SLC1A4)和中性氨基酸轉運蛋白B(0)﹝neutral amino acid transporter B(0)，SLC1A5﹞ 結合而發揮作用[12]。

2.2 生理功能

HERV-W的轉錄活性在生理狀態下受表觀遺傳調控，其表達產物在人胎盤形成過程中發揮重要作用。孕期母親血液中HERV-W的表達水平上調，1周歲的小兒體內HERV-W已有轉錄活性[13]。HERV-W調控網絡是保證相關基因發揮正常功能的重要組成部分[6]。

2.2.1 受表觀遺傳調控LTR對于HERV基因的轉錄與表達起重要調控作用，主要通過調節基因的甲基化等方式實現。LTR甲基化水平降低會導致HERV轉錄活性增強。由于人胎盤中HERV的LTR甲基化水平較低，因而可檢測到許多HERV家族成員的表達，如HERV-W[6]。

2.2.2 參與免疫調節HERV-W對宿主免疫系統具有重要作用。Toll樣受體4(toll-like receptor 4，TLR4)和白細胞分化抗原14(cluster of differentiation 14，CD14)是天然免疫重要的模式識別受體和共同受體。HERV-W編碼的Syncytin-1可激活天然免疫。Syncytin-1通過胞外段與TLR4相互作用，導致外周血單核細胞中促炎細胞因子﹝白細胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)、白細胞介素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與疾病關系

研究發現，在自身免疫性疾病、神經精神疾病等多種疾病中，HERV-W RNA和蛋白的表達上調可能引起宿主細胞的病理損傷，因此，HERV-W被認為是一類新的致病因子[15-16]。

3.1 與自身免疫性疾病相關

MS是一種中樞神經系統自身免疫性疾病，患者腦部發生脫髓鞘病變，進而導致中樞神經系統少突膠質細胞和軸突損傷[17]。在MS患者大腦和血液及腦部損傷的細胞表面均可檢測到Syncytin-1表達上調[18-19]。而針對Syncytin-1胞外段的抗體在患者血清和腦脊液中顯著升高，表明患者體內存在針對Syncytin-1的免疫應答[20]。

慢性炎性脫髓鞘多發神經病變(chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy，CIDP)病理學表現為周圍神經近端慢性脫髓鞘[17]。Syncytin-1在患者生物組織活檢中表達上調，可刺激神經膜細胞﹝施萬細胞(Schwann cell)﹞產生IL-6和C-X-C基序趨化因子10(C-X-C motif chemokine 10，CXCL10)，進而促進細胞融合、增殖與轉化[21]。

1型糖尿病(type-1 diabetes，T1D)是一種復雜的自身免疫性疾病，患者體內的免疫反應導致胰腺β細胞受損。Syncytin-1在患者血清、外周血單核細胞、腺泡胰腺細胞中上調表達[22]，既可抑制胰島素分泌，又與胰腺中巨噬細胞浸潤相關，對于1型糖尿病的發病有雙重病理生理學作用[4]。

3.2 與神經精神疾病相關

精神分裂癥患者存在認知障礙，包括陽性性狀(如妄想、幻覺等)和陰性癥狀(如消極行為等)。在患者腦部和血液中檢測到HERV-W的Pol、Gag和Env蛋白表達上調[23-24]，且針對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和海馬回的神經元以及星形膠質細胞內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，會經歷亢奮期和抑郁期。研究發現，患者體內Syncytin-1的表達水平升高，而神經元和神經膠質細胞中的HERV-W Gag蛋白表達顯著下調[26-27]。

3.3 與癌癥相關

在膀胱上皮細胞癌組織(urothelial cell carcinoma，UCC)中，研究者發現了HERV-W 3′-LTR的突變，由于轉錄因子與突變位點結合Syncytin-1表達顯著上調，促進了人尿道上皮細胞增殖，并參與膀胱上皮細胞癌的發生和發展[28]。

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

3.4 與其他疾病相關

肌萎縮側索硬化癥患者腦部運動皮質區HERV-W env的轉錄水平降低[34]，但肌肉組織活檢中檢測到Env和Gag蛋白表達增加[35]。此外HERV-W在克雅病患者腦脊液以及感染人類免疫缺陷病毒的母親體內轉錄水平顯著升高[4，36]。

4 HERV-W致病機制

HERV-W病毒蛋白在正常成年人器官中的轉錄活性極低甚至沒有，但在自身免疫性疾病、精神類疾病以及部分癌癥患者體內處于轉錄激活狀態。HERV-W的激活受病毒感染或環境因素的調控[37]。

4.1 轉錄激活

4.1.1 病毒蛋白調控HERV-W轉錄激活多種病毒或病毒蛋白可引起HERV-W轉錄活性增加。

甲型流感病毒通過升高GCM基序蛋白1(GCM motif protein 1，GCM1)的轉錄水平及降低ERVWE1位點的甲基化水平，使HERV-W的轉錄去阻遏，從而激活HERV-W；通過干擾DNA甲基轉移酶活力，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HBx蛋白(hepatitis B virus X protein)介導HERV-W的反式激活。HBx蛋白經細胞核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)信號途徑上調人肝癌細胞中Syncytin-1的表達[39]。

Epstein-Barr病毒(Epstein-Barr virus，EBV)包膜糖蛋白GP350(glycoprotein 350，GP350)與白細胞分化抗原21(cluster of differentiation 21，CD21)結合誘導NF-κB的活化，而NF-κB與增強子結構域內相關元件結合在HERV-W激活過程中起重要作用[40]。

人巨細胞病毒(human cytomegalovirus，HCMV)調節DNA甲基轉移酶的活性，引起HERV-W啟動子甲基化水平降低，從而激活HERV-W。而具有高HCMV載量的腎移植受者體內HERV-Wpol轉錄水平顯著升高，可能是HCMV誘導的細胞因子和生長因子增強了HERV轉錄活性[41-42]。

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

4.1.2 環境因素調控HERV-W轉錄活性除了病毒外，藥物等因素也會增強HERV-W的轉錄活性。研究發現，咖啡因和阿司匹林可促進人神經母細胞瘤細胞系SH-SY5Y中HERV-W Env和Gag蛋白的表達[44]。

4.2 HERV-W致病作用

HERV-W如同癌基因一樣，正常情況下，參與機體細胞的正常生理作用；異常情況下，則會引起宿主細胞的病理損傷。HERV-W編碼的包膜糖蛋白Syncytin-1可能與多種疾病的發生相關，其致病機制研究主要集中于Syncytin-1蛋白引起免疫炎癥方面。

具有超抗原特性的Syncytin-1在患者體內表達上調，會導致自身反應性T細胞異常活化，進而引起促炎性細胞因子如TNF-α和IL-6的大量分泌，從而導致患者體內炎癥反應[45]。TLR信號途徑在微生物感染引起的天然免疫中起關鍵作用。Syncytin-1可與內源性高效激動劑TLR4相互作用，因Syncytin-1的促炎特性，影響腦部髓鞘再生過程；影響TLR4介導的一氧化氮合酶表達和硝基酪氨酸的形成，最終影響少突膠質細胞分化和髓鞘表達[19]，引起小鼠模型中的星形膠質細胞和少突膠質細胞損傷，以及多發性硬化癥樣疾病[46]。Syncytin-1介導的特異性免疫反應可能作為髓鞘蛋白的潛在分子模擬物而存在交叉反應[47]。研究發現由Syncytin-1介導的小膠質細胞極化作用可能引起患者的軸突損傷和神經變性[48]。

本課題組也證實Syncytin-1可能會導致神經炎癥。在精神分裂癥患者中，Syncytin-1和炎癥標志物C反應蛋白(C-reactive protein，CRP)均上調表達且兩者間存在正相關；在小膠質細胞中，Syncytin-1可通過與Toll樣受體3(toll-like receptor 3，TLR3)結合，誘導IL-6的表達，活化CRP，引起神經炎癥[49]；一氧化氮(nitric oxide,NO)在細胞膜上自由擴散作為神經遞質發揮作用，而Syncytin-1可增加精神分裂癥患者NO的產生和小膠質細胞的遷移能力[50]；Syncytin-1蛋白表面還具有細胞毒性T淋巴細胞(cytotoxic T lymphocyte，CTL)反應的HLA-A*0201+限制性抗原表位[51]。

另外，Syncytin-1可直接調節瞬時受體電位陽離子通道 C 亞族成員3(transient receptor potential cation channel subfamily C member 3，TRPC3)Ca2+通道，或通過下調精神分裂癥斷裂基因1(disrupted in schizophrenia 1，DISC1)激活TRPC3，使神經細胞中Ca2+內流[52]，進而引起小電導Ca2+激活的K+通道蛋白3(small conductance calcium-activated channel，subfamily N，member 3，KCNN3，SK3)的開放[53]。Syncytin-1過表達可激活糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK3β)信號傳導途徑，致GSK3β的9位絲氨酸的磷酸化水平升高及GSK3β活性下降[54]；環磷酸 腺苷反應元件結合蛋白(cyclic adenosine monophosphate response element-binding protein，CREB)的磷酸化水平升高誘發大腦神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的表達上調。此外還可調控神經營養型酪氨酸激酶受體2及多巴胺受體D3的表達[55]。

總結以上研究，我們提出一個假說：Syncytin-1蛋白受外界因素的影響在神經細胞中高表達，“觸發”(trigger)精神分裂癥相關基因的異常表達，引起神經炎癥，導致神經細胞異常，最終引發精神分裂癥。Syncytin-1在此過程中起著重要的“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，通過特異性結合Syncytin-1的胞外段，特異性中和其結合TLR4的能力，在體內外均可抑制TLR4的促炎特性，減少IL-6和TNF-α的釋放[45]，而且還能抑制IL-6和CXCL10上調表達。

GNbAC1可能促進MS患者的髓鞘再生過程，目前已在33名健康受試者的Ⅰ期臨床試驗和10名MS患者Ⅱa期的12個月臨床實驗中評估GNbAC1作用，發現其具有良好的安全性及血流動力學特性。接受治療后大多數患者HERV-W的轉錄水平下降，腦部病變狀況穩定[56]。針對270名患者Ⅱb期的臨床實驗發現，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行中，為相關疾病的治療提供了一種新的選擇。

6 結語

HERV-W與人類健康密切相關。研究發現，HERV-W編碼的ENV蛋白(Syncytin-1)在多種信號通路中起調控作用，可能作為環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生、發展過程中扮演重要的角色。而針對此蛋白的人源化單克隆抗體GNbAC1已用于MS的臨床研究，并具有較好的結果。因此，對HERV-W Syncytin-1 的研究，可為新藥研發提供潛在的作用靶標。

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

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