TE pri vnetnih boleznih

UVOD

Transpozicijski elementi (TE) so mobilni elementi DNA, ki se lahko replicirajo in vstavijo na različne lokacije znotraj gostiteljskega genoma. Retrotranspozoni so transpozicijski elementi, ki se mobilizirajo preko RNA intermediatov s pomočjo reverzne transkriptaze. HERV in LINE-1 sta dve glavni vrsti retrotranspozonov. Njuni inserciji sta se kopičili skozi evolucijo, dokler so se gostiteljski genomi razvijali in z uporabo različnih dejavnikov so zavirali njuni aktivnosti. Znanstveniki so odkrili, da transpozicijski elementi bolj prispevajo k patogenezi človeških bolezni, kot so do takrat mislili.

TRANSPOZICIJSKI ELEMENTI

Transpozicijski elemnti obsegajo vsaj 45% človeškega genoma, medtem ko kodirajoče zaporedje zasede manj kot 3% genoma. Razvrščamo jih kot transpozoni, ki so ves čas v obliki DNA (II razred) in retrotranspozoni, ki za izvedbo traspozicije potrebujejo RNA-intermediat (I razred). Transpozoni II razreda delujejo po mehanizmu „izreži in prilepi“, pri čemer se zaporedje s pomočjo encima transpozaze izreže iz ene regije in integrira v drugo določeno regijo v genomu. Retrotranspozoni pa delujejo po mehanizmu „kopiraj in prilepi“ kar omogoča aktivnim retrotranspozonim, da ohranijo svojo prvotno lokacijo v genomu, medtem ko kopičijo število kopij drugje. Te retrotranspozone pa lahko razdelimo v dve skupini LTR in ne-LTR. V LTR skupino pa uvrščamo človeške endogene retroviruse (HERV) in retrotranspozone pri sesalcih (MaLR). Ne-LTR pa razvrčamo v dva podtipa: LINE (Long Interspersed Nuclear Elements) in SINE (Short Interspersed Nuclear Elements).

HERV

HERV retrotranspozoni imajo podobno genomsko strukturo kot eksogeni retrovirusi, kot je HIV. Ti retrotranspozoni poleg LTR zaporedja vključujejo regije gag, pol in env. Gen gag kodira proteine za ovojnico retrotranspozonskega delca. Pol pa prestavlja gen za reverzno transkriptazo, integrazo in proteazo. HERV vsebuje tudi gen, ki kodira protein env oziroma ostanek njihovega eksogenega retrovirusnega izvora pred vstavitvijo in endogenizacijo v zarodne celice. Pokazalo se je, da transkripcijsko aktivne poddružine HERV prispevajo k različnim patofiziološkim motnjam. Leta 1993 so prišli do ugotovitve, da dodatek virusa herpes simpleksa tipa 1 (HSV-1) celicam izoliranim od bolnika z multiplo sklerozo, povzroči močno stimulacijo aktivnosti specifične reverzne transkriptaze. Iz tega so sklepali da je prvotno zaporedje retrovirusa, povezaneg z multiplo sklerozo (MSRV), zelo zastopano v človeški DNA in tako odkrili poddružine skupine HERV, ki prispevajo k patologiji različnih nevroloških motnjah.

LINE-1 RETROTRANSPOZONI

Transpozoni LINE-1 so avtonomni retrotranspozoni, ki jih vsebuje človeški genom. Večina kopij LINE-1 je nepremičnih i njih ni mogoče retrotransponirati, bodisi zaradi 5' skrajšanja ali inverzij, uvedenih v zaporedje. Retrotranspozicijsko kompetentna LINE-1 ( RC LINE-1) je dolga 6kb in vsebuje 5' neprevedeno regijo (5' UTR), dva odprta bralna okvirja ( ORF1/2) in 3' UTR, prekinjeno s poli-A repom. ORF 1 predstavlja gen za protein, ki ima aktivnost spremenljevalca nukleinske kisline in RNA vezavno domeno. ORF2 kodira protein z encimsko aktivnostjo, ki je potreben za retrotranspozicijo LINE-1. ORF2p ima tako aktivnosti endonukleaze (EN) kot reverzne transkriptaze (RT). Transkripcija LINE-1 se začne na promotorju RNA olimeraze II ali natačneje znotraj prvih 100 baznih parov 5' UTR. Potem ko je prepisana, poliadenilirana LINE-1 mRNA se izvozi v citoplazmo, kjer se združi z proteini ORF1 in ORF2 in tvorijo komleks z ribonukleotidi (RNP). Potem se uvozi v jedro, da se začne obratna transkripcija in integracija. EN zareže spodnjo verigo DNA in izpostavi 3' OH, ki služi kot primer za RT za nastanek cDNA iz LINE-1 mRNA.

HETEROGENOST INSERCIJSKIH PREFERENC IN PORAZDELITEV RETROTRANSPOZONOV MED RAZLIČNIMI POPULACIJAMI

Po različnih študijah so ugotovili, da pri integracji LINE1 ne ciljajo na izražene gene, odprt kromatin, ampak se namesto tega povezujejo z replikacijo DNA gostitelja. Te ugotovitve zagotavljajo prve namige, da sta integracija LINE-1 in replikacija DNK lahko mehansko povezani. Obstaja heterogenost v porazdelitvi endogenih retrotranspozonov po različnih človeških populacijah: od prisotnosti/odsotnosti transpozona do polimorfizmov posameznih nukleotidov (SNP). Polimorfizmi pri vstavitvah retroelementov nastanejo bodisi v zarodni liniji bodisi zgodaj v embrionalnem razvoju. To omogoča genomski mozaizem znotraj določeneg posameznika ko kar med različnimi človeškimi populacijami.

CELIČNI VPLIVI RETROTRANSPOZICIJE LINE-1

Retrotranspozoni LINE-1 ustvarjajo strukturno nestabilnost znotraj genoma in posledično motijo izražanje gostiteljskega gena. Vstavitve LINE-1 lahko generirajo napačno spojene ali prezgodaj okrnjene transkripte, spodbujajo prekinitev transkripcije ali celo spodbujajo spremembe našega epigenoma. Retrotranspozoni, ki prispevajo k genomski variaciji, spreminjajo ekspresijo gostiteljskega gena na epigenetski, transkripcijski in translacijski ravni.

CELIČNI ODZIVI NA RETROTRANSPOZICIJE

Glede na to, da lahko retroelementi vplivajo na celico na veliko načinov, se je gostiteljski genom razvil tako, da uporablja različne odzive za zaviranje njihove aktivnosti. Transkripcijsko represijo dosežemo z represivnimi epigenetskimi modifikacijami, kot je npr. metilacija DNA. Znatna hipometilacija med embriogenezo je povezana z višjimi stopnjami retrotranspozicije. V mišjih zarodkih, ki so bili izjemno hipometilirani, se genomska integriteta vzdržuje s pomočjo faktorja CAF-1, ki zamenja histon 3.3 s histonom 3.1/3.2, ki deluje kot represivni modifikator in ščiti zarodek od retrotranspozicijske aktivnosti. Ker transpozicijski elementi vsebujejo tudi vezavna mesta za transkripcijske faktorje, to omogoča specifično transkripcijsko regulacijo, kot način transkripcijske represije. Kruppel-associated box (KRAB), ki vsebuje proteine cinkovih prstov (KZFP), so ključni regulatorji transpozicijske aktivnosti, ki se vežejo na regulatorna zaporedja TE in zavirajo izražanje TE v zgodnjih zarodkih.

Post-transkripcijska regulacija LINE-1 elementov z majhnimi RNA kot so miRNA ali piRNA, je še en celični odziv na retrotranspozicijo. Majhne RNA molekule lahko delujejo preko tarčne razgradnje RNA. Od RNA induciran kompleks za utišanje (RISC) z uporabo endonukleolitične cepitve razgrajuje TE transkriptov in, če je Dicer protein, ki je sestaven del RISC kompleksa, mutiran, povzroča povečano transkripcijo LINE-1 elementov. Odkrili so da miRNA-128 omejuje aktivnost LINE-1 preko dveh mehanizmov: lahko direktno cilja na ORF2 RNA za razgradnjo ali cilja na 3’-UTR zaporedje kofaktorja TNPO1, ki olajša transport kompleksa LINE-1 RNP v jedro. piRNA so pomembni zaviralci aktivnosti TE v zarodni liniji. Vzajemno delujejo s poddružino PIWI nukleaz Argonaute in cepijo TE transkripte v citoplazmi.

LINE-1 RNP kompleks, ki je retrotranspozicijski intermediat, je tudi tarča za razgradnjo. Protein cinkovega prsta (ZAP) se veže z LINE-1 mRNA v citoplazemskih stresnih granulah, povzroči zgubljanje integritete RNP kompleksa in zavira retrotranspozicijo LINE-1. TUT7, ki je uridil transferaza, prenaša ostanke uridina na LINE-1 mRNA v citoplazmi, nato MOV10, ki je helikaza, premakne ORF1p, da omogoči uridilacijo in posledično zavirajo reverzne transkripcije ORF2p v jedru. Družina encimov APOBEC zavirajo retrotranspozijo, najverjetneje z destabilizacijo kompleksa RNP. Kljub številnim gostiteljskim mehanizmom za zaviranje retrotranspozicije, de novo insercije so še vedno prisotne v somatskih tkivih z znatno retrotranspozicijo v nevronskih linijah.

LINE-1 V RAZVOJU PRI MOŽGANIH

Najzgodnejši dokumentirani primer somatske retrotranspozicije in vivo je bil v mišjih možganih. Nekaj let pozneje so odkrili endogeno LINE-1 mRNA v nevronskih matičnih celicah izoliranih iz možganov človeških plodov. S pomočjo RC-seq, visoko zmogljivo metodo sekvenciranja, ki cilja na 3’ in 5’ konca LINE-1, ki so jo uporabili na DNA ekstrahirane iz različnih tkiv, identificirali so bistveno več kopij ORF2 in LINE-1 CNV v hipokampusu v primerjavi s srcem in jetri istega posameznika. Zanimivo je, da so v nedavni analizi 24 hipokampalnih nevronov odkrili, da se somatske insercije, ki se pojavijo med nevrodiferenciacijo v matične celice človeškega zarodka, lahko pojavijo zaradi mutacije v Ying Yang 1 (YY1) vezavnem mestu za transkripcijski faktor. YY1 vezavno mesto v promotorski regiji LINE-1 posreduje pri metilaciji CpG otočkov in epigenetski represiji. Retrotranspozicija med nevronskim razvojem lahko prispeva k nevronski raznolikosti, saj omogoča varijacijo genomske DNA od celice do celice.

MOBILNI ELEMENTI IN NEVRODEGENERATIVNE BOLEZNI

Amiotrofična lateralna skleroza (ALS) je nevrodegenerativna bolezen, za katero je značilna izguba zgornjih in spodnjih motoričnih nevronov. Številne študije so ugotovile prisotnost retrovirusne aktivnosti reverzne transkriptaze v serumu bolnikov z ALS. V kortikalnih piramidnih in hrbteničnih nevronih v posmrtnem možganskem tkivu bolnikov z ALS opazimo večjo ekspresijo HERV K-Env ki je močni imunopatogeni protein ovojnice . Aktivacija gena za HERV-K posledično zmanjšuje dolžino dendrita in tudi razvejanost in kompleksnost motoričnih nevronov transgenih miši. Še ni znano, kaj sproži izražanje HERV-K pri odraslih nevronih.

Aktivacija retrotranspozona je bila povezana tudi s sporadično obliko Alzheimerjeve bolezni, vendar so raziskave pokazale nedosledne rezultate o tem, ali so LINE-1 povišane pri bolnikih. V nevronih bolnikov so odkrili mozaične genomske rekombinacije znotraj gena, povezanega z Alzheimerjevo boleznijo, amiloidnega prekurzorskega proteina (APP). Te različice niso imele introničnih zaporedij in so bile imenovane "genomske cDNA" (gencDNA). Predpostavili so da izvirajo iz RNA in da zahtevajo endogeno aktivnost reverzne transkriptaze da se vstavijo v prelome dvojnih verig.

Pri pojavi Parkinsonove bolezni je odkrito pet različnih strukturnih variacij v genu PRKN (parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase). Predvideva se, da se strukturne variacije pojavijo z nealelno homologno rekombinacijo. LTR in ne-LTR retrotranspozonske sekvence so bile identificirane znotraj dveh kilobaz od točke prekinitve delecije. To lahko pomeni da so delecije morda nastale zaradi retrotranspozicije. Povezava med aktivacijo retrotranspozona pri nevrodegenerativnih boleznih ni v celoti ugotovljena.

TRANSPOZICIJSKI ELEMENTI IN VNETJA

Malo je znanega o prispevku transpozonih elementov k imunskem odzivu. Ko imamo prisotno DNA v citoplazmi, na primer virusno DNA, sproži se aktivacija poti cGAS-STING. cGAS-STING posledično proizvaja interferone, ki sprožijo vnetni odziv. Interferonski odzivi so lahko mehansko povezani z deregulacijo proizvodnje retrotranspozona. Vse je več dokazov, da imajo transpozoni vlogo pri sprožitvi nevroinflamacije. Detekcija endogene nukleinske kisline s strani imunskega sistema je v osnovah številnih avtoimunskih bolezni. Retrotranspozoni so povezani z boleznimi kot so multiple skleroza in Aicardi-Goutières sindromom, kot glavni vnetni efektorji.

Multipla skleroza je kronična avtoimunska bolezen, ki prizadene osrednje živčevje in za katero ni znanega zdravila. Za bolezen so značilne lezije v beli snovi, ki vodijo do razgradnje krvno-možganske pregrade in aksonskih motenj po hrbtenjači. Izražanje HERV proteina se šteje za dejavnik za napredovanje bolezni. Iz supernatantov celične kulture vzorcev bolnikov so izolirani retrovirusima podobni delci, in je bilo dokazano da izvirajo iz elementov HERV.

Pri sistemskom eritematoznem lupusu je ugotovljena povišana transkripcija HERV. V študijah so pokazali da so ravni ekspresije mRNA HERV-E v celicah CD4+ T lupusa višje kot v zdravih celicah. Še ni znan popoln prispevek aktivnosti HERV.

Motnje avtističnega spektra so razvojne motnje, ki ovirajo komunikacijo in vedenje. Ugotovljeno je da je pri bolnikih bila zmanjšanja metilacija in povečano izražanje LINE-1 v možganih. Vse je več dokazov da lahko kronično vnetje prispeva k simptomatologiji avtizma. Pokazalo se da posamezniki z motnjo avtističnega spektra pogosto kažejo razširjeno vnetje in povečano izražanje citokinov v možganih.

Rettov sindrom je X-povezana progresivna nevrorazvojna motnja z avtističnimi značilnostmi. Pri Rettovom sindromu imamo prisotne različne mutacije v metil CpG vezavnem proteinu-2 (MeCP2). Analizirani vzorci možganskega tkiva ob smrti so pokazali višje genomske sekvence LINE-1 ORF2 pri bolnikih.

Aicardi-Goutièresov sindrom je progresivna vnetna motnja, ki prizadene novorojenčke in ima za posledico hudo duševno in telesno prizadetost ter močno skrajšano življenjsko dobo. Lahko nastane zaradi mutacij v TREX1(three-prime repair exonuclease 1). TREX1 deluje tako, da razgradi dvoverižno DNA(dsDNA)/enoverižno DNA(ssDNA). Mutacije v genu povzročijo znatno kopičenje vrst DNA v citoplazmi, ki sprožijo prirojen imunski odziv, kot je indukcija interferona. Večina teh vrst DNA je sestavljena iz citoplazemske ssDNA LINE-1. V nevronskih celicah mišjih s pomanjkanjem TREX-1 se izrazilo 70 % več LINE-1Hs.

VIRI IN LITERATURA

[1] Saleh, Aurian, et al. “Transposable Elements, Inflammation, and Neurological Disease.” Frontiers in Neurology, vol. 10, 2019. Frontiers, https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fneur.2019.00894.

[2] Volkman HE, Stetson DB. The enemy within: endogenous retroelements and autoimmune disease. Nat Immunol. (2014) 15:415–22. doi: 10.1038/ni.2872

[3] Richardson SR, Morell S, Faulkner GJ. L1 retrotransposons and somatic mosaicism in the brain. Annu Rev Genet. (2014) 48:1–27. doi: 10.1146/annurev-genet-120213-092412

[4] Nelson PN, Carnegie PR, Martin J, Davari Ejtehadi H, Hooley P, Roden D, et al. Demystified. Human endogenous retroviruses. Mol Pathol. (2003) 56:11–8. doi: 10.1136/mp.56.1.11

[5] Levin HL, Moran JV. Dynamic interactions between transposable elements and their hosts. Nat Rev Genet. (2011) 12:615–27. doi: 10.1038/nrg3030