病毒學與新發疾病- Forschen

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研究文章
人內源性逆轉錄病毒在多發性硬化斑塊中的表達分析

Bhetariya PJ1 *Kriesel JD1費舍爾KF2

1美國猶他州鹽湖城猶他大學醫學院傳染病科內科
2美國猶他州鹽湖城猶他大學醫學院病理學係

*通訊作者:美國猶他州鹽湖城猶他大學醫學院傳染病科內科Preetida J Bhetariya電話:801 - 585 - 7314;電子郵件:preetida.bhetariya@utah.edu


摘要

背景:研究表明,人內源性逆轉錄病毒(HERVs)與多發性硬化症(MS)的發病機製有關。本研究的目的是廣泛評估MS患者患病腦白質樣本中HERV核心(GAG)和包膜(ENV)基因的表達,並與正常對照進行比較。

方法:檢索到28個HERV GAG基因序列和88個ENV基因序列,按係統發育進行分類,並分組為支。針對每個分支設計一致qPCR引物,對33個MS和9個正常對照冷凍腦樣本進行定量PCR。MS樣本包括慢性進展(n=5)、原發性進展(n=4)、繼發性進展(n=14)、複發緩解(n=3)和未分類的MS確診病例(n=7)。使用神經元內參基因RPL19對每個樣本中的GAG和ENV RNA水平進行定量和歸一化。分析MS與對照組的表達差異。

結果:與對照組相比,與HERV-E和HERV-K對應的GAG分支1A、3B和3C表達量顯著增加,而GAG分支3A表達量降低。MS組HERV ENV分支2、3A、3B的表達量顯著增加,對應於RTVL、HERV- e、HERV- k和MSRV (HERV- w)。但MS組與對照組的相對表達差異較小,差異小於1.5倍。

結論:MS組HERV-E、RTVL和HERV-K10家族的GAG和ENV表達明顯增加。但MS組與對照組的相對表達差異較小,差異小於1.5倍。這些結果表明,在這些冷凍腦樣本中,HERV GAG和ENV區域的表達在MS和對照組之間沒有太大的差異。

關鍵字

人類內源性逆轉錄病毒;HERV;qPCR;多發性硬化;原發性進行性多發性硬化;嘔吐;信封;基因表達


簡介

多發性硬化症(MS)是一種自身免疫性疾病,其特征是大腦和脊髓的多處病變伴有斑塊。這種疾病與一種炎症過程有關,這種炎症過程攻擊並破壞了大腦和脊髓軸突周圍的髓鞘。多發性硬化症的病因尚不清楚,盡管這種疾病被認為是由環境因素在易感遺傳背景下作用引發的。全基因組關聯研究(GWAS)已經確定了許多易感位點,主要與免疫過程[1]相關。人白細胞抗原(HLA)免疫基因簇,特別是HLA- drb1 *1501,是本病的主要遺傳危險因素[2,3]。

根據多發性硬化症的流行病學,包括地理模式、孤立的暴發和遷移研究,病毒長期以來一直被懷疑是病因[4-6]。目前還沒有直接證據表明外源性逆轉錄病毒參與了MS,但內源性逆轉錄病毒可能是MS發病的一個重要因素。逆轉錄病毒在MS發病機製中發揮作用的可能性從20世紀80年代就開始被考慮,當時Perron在從MS患者的輕腦膜細胞中顯示了逆轉錄酶(RT)活性和逆轉錄病毒顆粒[7-10]。從那時起,根據Douville RN, Nath A[11]的評論,在MS患者的血液、腦脊液和腦組織中檢測到herv。人類內源性逆轉錄病毒(HERVs)是人類基因組的一部分,約有98000個ERV元素和片段[12-14]。據信,herv是史前外源性逆轉錄病毒的殘餘,在進化過程中通過種係感染[15]整合到人類基因組中。在中樞神經係統中已經檢測到來自HERV-W家族的幾種基因轉錄本和蛋白質,它們與神經炎症有關[16- 18]。自身免疫性疾病[19]患者的人血清中可檢測到與來自herv的GAG或ENV抗原反應的抗體,且抗體水平升高。

此前,我們對冷凍人腦標本進行了RNA-seq,結果顯示,在進展性MS與正常對照之間,某些HERV結構域的表達存在統計學上的顯著差異[20,21]。重要的是,這種信號的檢測需要使用一種被稱為“綜合映射”的生物信息學方法,該方法將所有可檢測到的對齊計數到給定的測序讀數,而不僅僅是最特定的匹配。此外,按結構域聚合測序hit提示GAG(核心)和ENV(包膜)結構域的表達與MS疾病過程相關。這項研究的目的是量化選定的HERV GAG和ENV結構域在MS患者冷凍冷凍保存的大腦樣本中的表達,並與正常對照進行比較。在這裏,我們進行了幾個qPCR實驗,以了解HERV GAG和ENV基因的整體表達情況,它們被分為多個HERV分支。

材料和方法

一個大腦標本。

從落基山MS中心組織庫(Westminster, CO, USA)和加州大學洛杉磯分校人腦和脊髓液資源中心(Los Angeles, CA, USA)獲得MS斑塊的低溫保存白質(N=33)和無任何腦部疾病患者的正常白質對照腦標本(N=9)。MS樣品包括;慢性進展性MS (CPMS, n=5),原發性進展性MS (PPMS, n=4),繼發性進展性MS (SPMS, n=14),複發緩解性MS (RRMS, n=3)。無臨床亞型的MS確診病例(未分類MS, n=7)也納入了共33例MS樣本的研究。這些標本以及伴隨的臨床和病理信息(表1)在裝運前被去鑒別。該研究計劃已提交給猶他大學健康科學中心IRB進行審查。由於該研究隻涉及未被識別的屍檢材料,因此被發現不受IRB的審查和監督(IRB #00028658)。

集團 標本 采購經理人指數 年齡 收集一年 臨床病史/ MS類型 樣品的位置
正常對照組 5 2 55 F 1989 NA 大腦
202 * 4 57 1983 術後感染 大腦
214 * 4 56 1981 心髒病 大腦
3236 16 67 2002 食道癌 額WM
3276 * 19 54 2002 心髒病 額WM
33 * 5 69 1983 肺部疾病 大腦
3371 * 16 52 2002 肺癌 額WM
3348 * 9 76 F 2002 心髒病、糖尿病 額WM
3540 11 68 2003 肺癌 額WM
女士 159 NA 53 1983 慢性進行性 WM
164 NA NA 1983 不保密的 WM
216 5 71 F 2003 不保密的 WM
2096 NA NA NA 二次進步 室周的WM
2485 * 9 69 1997 主要的進步 額WM
2696 * 21 86 F 1998 主要的進步 室周的WM
2742 17 60 1998 主要的進步 室周的WM,小腦
2743 23 59 F 1998 二次進步 皮層下WM
2758 NA 60 1999 二次進步 室周的WM
2778 39 61 F 1998 二次進步 WM,顳葉皮層
2800 9 64 F 1998 二次進步 WM,額葉皮層
2946 * NA 59 1999 二次進步 室周WM,頂葉
2966 NA 55 F 2000 二次進步 室周的WM
3010 NA 49 F 2000 二次進步 額葉WM,額葉
3056 10 61 2000 複發彙款 WM,額葉皮層
3093 18 68 2000 不保密的 腦室周圍WM,基底神經節
3161 * 20. 51 F 2001 二次進步 WM, frontal-parietal
3250 17 75 2002 二次進步 室周的WM
3289 29 54 F 2001 不保密的 室周的WM
3413 10 38 F 2002 複發彙款 室周的WM
3422 12 62 2002 複發彙款 室周的WM,小腦
3474 9 70 F 2002 慢性進行性 室周的WM
3502 16 78 2003 二次進步 室周的財報
3509 * 11 74 F 2003 主要的進步 室周的WM
3831 21 82 F 2004 慢性進行性 枕WM
3835 29 65 2004 慢性進行性 室周的WM
3867 13 75 2004 二次進步 室周的WM
3891 25 53 2005 慢性進行性 枕WM
3894 32 71 2004 二次進步 頂葉WM
3928 10 53 F 2004 二次進步 枕WM
4201 14 75 F 2006 不保密的 枕WM
4212 19 50 F 2006 不保密的 額WM
4218 15 63 F 2006 不保密的 額WM

表1:本研究中使用的冷凍大腦樣本的特征。
*先前RNA測序研究中使用的標本[21]。
NA=無法從參與的腦庫獲得的信息
PMI=死後時間間隔(即從死亡到收集組織標本的時間間隔),四舍五入到最接近的小時

b. HERV數據庫和引物設計

逆轉錄病毒基因目錄(RVGC)是通過將Gypsy 2.0數據庫中的蛋白質結構域與人類基因組(NCBI build 37.p13)[22]進行比對而編譯的。RVGC包含與GyDB 2.0結構域數據庫中包含的人類基因組序列具有可檢測到的蛋白同源性(BLASTX):核心(GAG)、包膜(ENV)、逆轉錄酶(RT)、整合酶(INT)掃描- a2、kraba、dUTPase、RNase H、蛋白酶(AP)和色素結構域(CHR)(補充數據)。RVCG條目的命名形式為:_ U(表S1)。

深度測序顯示,MS樣品中GAG、ENV等HERV結構域存在過表達[20,21]。基於這些結果,利用Clustal Omega[23]對RVGC中的28個GAG和88個ENV基因序列進行了比對。通過尋找序列的最長開放讀框來確定每個序列的方向。在對齊之前,如有必要,將所有域序列校正為感知方向。通過鄰居連接構建GAG和ENV的係統發育(圖1和圖2)。係統發育中的主要節點被用於定義GAG和ENV結構域內的分支(圖1和圖2)。

為了擴增人類基因組中多個相似的GAG和ENV位點,引物被設計成枝特異性的,而不是位點特異性的。為此,從Clustal Omega多重比對中提取的分支一致序列用於推導qPCR引物對,使用Primer3[24]。這些引物對的長度為20-24 bp,退火溫度為58-60℃,預測不存在低能量的自二聚體,預計可產生100-120bp的擴增子。用BLAST將引物序列與人類基因組進行比對,以預測可能的擴增子[25]。選擇特異結合進化支特異性一致序列的引物,以減少其與其他進化支的雜交。分別為GAG和ENV分支設計了若幹引物對。本研究使用的引物序列如表2所示。

引物對 序列(5 ' 3 ') 反向序列(5 ' 3 ')
嘔吐 進化枝1 GCAACATCTTGGAGCCTTG ATCTGCCTTAGAGCCTGGGA
進化枝1 b ATCTTGGAGCCTTGCCACAA ATCTGCCTTAGAGCCTGGGA
進化枝1 c AACATCTTGGAGCCTTGCCA ATCTGCCTTAGAGCCTGGGA
進化枝2 GCCTTCACATATTCTGTAATT GCAAGGTTGCAAGATGCAGCTC
進化枝3 CAAATGCCCCTGAGAGAGCA TTCCAGTTGAGAAGGTCGGC
進化枝3 b CCACCAGATAACCACACCCC TGCTCTCTCAGGGGCATTTG
進化枝3 c TTAAGAGGACAGGCAGCAGC GGGGTGTGGTTATCTGGTGG
ENV 進化枝1 TGGGAAAACAGAATGGCCCT AAGGCCCTTGTTATGCTCCC
進化枝1 b TCCATGGACTGACAGTGGGA AAAGCAATTCCAGCAGCCAC
進化枝2 AGACCCACCAGTCAAATGGC TTTGGTGTGATCCCACCTGG
進化枝3 GCGGTAAGTCTTTGCAAGGC CCAGAATGGCTCCAGACATGT
進化枝3 b CTGGACAATCAGGACCCACC GGCCTTGCAAAGCCTTTGTT
MSRV CTTCCAGAATTGAAGCTGTAAAGC GGGTTGTGCAGTTGAGATTTCC
控製 RPL19 ATGTATCACAGCCTGTACCTG TTCTTGGTCTCTTCCTCCTTG
RPL13 CCTGGAGGAGAAGAGGAAAGAGA TTGAGGACCTCTGTGTATTTGTCAA
哥倫比亞大學 ATTTGGGTCGCGGTTCTTG TGCCTTGACATTCTCGATGGT

表2:本研究設計的引物

c. RNA提取和cDNA合成

使用6毫米無菌圓形皮膚活檢穿孔刀片(VWR, Radnor, PA, USA)從冷凍塊中獲得研究標本。將組織標本(每個約100毫克)在無菌稱量船上用無菌刀片細切均勻化,全部置於幹冰上,然後放入rna裂解緩衝液中。RNA提取使用RN易脂質組織迷你試劑盒(Qiagen,希爾登德國在Qubit 2.0熒光計儀器(Invitrogen/Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA)上使用RNA高靈敏度(HS)檢測試劑盒(Life Technologies/Thermo Fisher Scientific, CA, CA)進行量化。提取的RNA使用TURBO無dna試劑盒(Life Technologies/Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA)進行dna酶處理。用Qubitds DNA HS檢測試劑盒對經DNA酶處理的標本進行核酸定量檢測。使用Omniscript RT (Qiagen, Hilden, Germany and Germantown, MD, USA),根據製造商說明使用隨機六聚體,共使用500 ng RNA進行逆轉錄(RT)反應。得到的cDNA被aliquote並保存在-20°C。

先前用於神經組織基因表達研究的幾個參考基因被考慮用於本研究:泛素C (UBC)、RNA聚合酶II多肽(RP II)、核糖體大亞基蛋白19 (RPL19)、β-2-微球蛋白(B2M)和甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)[26,27]。用質譜和對照標本的qPCR法測定每個候選內參基因的RNA表達水平。使用geNorm應用程序確定最佳內參基因[28]。由於RPL19在所有標本中表達量變化最小,因此選擇RPL19作為內參基因。

從3個GAG和3個ENV分支的一致序列分別設計了5對引物,共30對引物。通過檢測qPCR反應的熔化曲線,確定合適的引物對進行研究。具體來說,我們使用了12對引物進行單次均質擴增產物的研究。支持數據中顯示了每個引物對(包括參考候選基因)的標準曲線。

d. qPCR和數據分析

每個反應都在無模板和無rt控件的情況下重複運行。根據MIQE指南[29]考慮平均Ct值進行分析。對照和質譜樣品(各5µl)放在一起,連續稀釋2倍。該稀釋序列用於獲得每個感興趣基因的Ct標準曲線(補充數據)。校正曲線的斜率在.95-1.29和R2考慮<0.95進行分析。對於每個平板,PCR擴增效率由標準曲線計算,公式為:PCR效率=(21 /坡-1) × 100%(補充數字)。從每個對照和MS樣本的標準曲線計算基因表達值,每個樣本的RPL19表達歸一化。每個引物對的中位表達值分別為對照組和MS組。MS組的表達中值與對照組的表達中值相除,得到表達變化(倍數變化)。Mann-Whitney u檢驗用於檢測[30]組間的差異。當p< 0.05時,我們認為差異有統計學意義。

結果

a.冷凍大腦樣本

研究樣本特征如表1所示。33個MS樣本與9個正常對照進行比較。由於從腦庫來源獲得的正常對照有限,對照標本的數量低於質譜樣本。死後間隔(PMI),即死亡到收集大腦樣本之間的時間,範圍為2-39小時。MS組的PMI(µ=17 h)明顯長於對照組(µ=9.5 h, p=0.0002)。年齡、性別和收集年份在兩組間無顯著差異。

b. HERV GAG和ENV係統發育

圖1顯示了相關GAG序列按係統發育分為三個不同的分支。根據吉普賽數據庫的注釋,這些進化支包括GAGs,它們屬於家族或亞家族HERV-K10, K-HERV和HERV-E(表S1所示)。使用ENV序列的鄰居連接樹進行係統發育也發現了三個獨立的分支(圖2)。MSRV/HERV-W (AF331500.1),也被包括在ENV係統發育[31]中。ENV序列屬於HERV-K10、K-HERV、HERV-E、逆轉錄病毒樣元素異亮氨酸(RTVL-Ia)、小鼠乳腺腫瘤病毒(MMTV)和以人B淋巴細胞為特征的d型逆轉錄病毒鬆鼠猴樣逆轉錄病毒(SMRV-H)家族[32,33](表S1)。

圖1:GAG序列的係統發育——從RVGC中提取了28個非冗餘GAG序列(見方法)。利用距離矩陣近鄰連接算法構建了係統發育。GAG序列被劃分為三個不同的分支。與對照相比,在MS中過表達的GAG序列由RNA-seq確定,以紅色字體顯示。

圖2:ENV序列係統發育-從RVGC中提取了88個非冗餘ENV序列(見方法)。利用距離矩陣近鄰連接算法構建了係統發育。ENV序列按方框劃分為三個不同的分支。與對照相比,在MS中過表達的ENV序列由RNA-seq確定,以紅色字體顯示。

c。表達分析

對GAG和ENV結構域的12個分支特異性引物進行了測試。MSRV-ENV引物序列由H. Perron[32]提供。每對引物都對彙集的RNA提取物(來自所有對照和質譜樣本)進行qPCR檢測。在網上使用Mega BLAST對這些引物對進行分析。這顯示了一個異質性的預測擴增子群體,映射到表S1中指定的多個不同的人類染色體位置。

由於RPL19在樣本中表達變異最小,因此選擇RPL19作為內參基因進行歸一化表達。HERV每個靶向GAG結構域的歸一化基因表達水平如圖3所示。數據被總結為相對折疊變化(log2)用於每個引物對。與對照組相比,MS樣品(N=33)中GAG分支1A、3B和3C的表達量顯著增加,而GAG分支3A的表達量顯著降低。MS子型在每個分支中的GAG表達模式與MS組整體的表達模式相似(圖S1)。GAG表達顯著變化的幅度很小,折疊變化僅為0.74-1.25。

圖3:MS與對照中GAG結構域的表達-每個引物對歸一化表達的差異顯示為Log2 (MS中值/對照中值)。用非參數Mann-Whitney檢驗比較MS患者(N=33)和對照組(N=9)的表達值,確定表達差異的顯著性。統計上顯著性比較的p值顯示在圖表上。

在研究的ENV分支中,MS組和對照組的表達差異也很小,折疊變化小於1.5(圖4)。ENV分支1的表達無差異。MS組ENV分支2 (fold-change 1.33)、分支3A和3B (foldchange 1.2-1.27)、ENV MSRV/HERV-W (fold-change 1.15)表達均較對照組增加。MS子型在每個支係中的ENV表達模式與MS組整體的表達模式相似(圖S2)。

圖4:MS與對照的ENV域表達-每個引物對的歸一化表達的差異用Log表示2(MS /控製中值中位數)。用非參數Mann-Whitney檢驗比較MS患者(N=33)和對照組(N=9)的表達值,確定表達差異的顯著性。有統計學意義組的P值被提及。

討論

本研究比較了從MS患者收集的冷凍腦組織標本中用qPCR檢測的HERV GAG和ENV結構域表達與神經係統正常對照的差異。雖然本研究顯示了HERV表達的幾個顯著差異,但這些差異的幅度相對較小(小於1.5倍)。這些結果表明,在這些冷凍腦組織樣本中,HERV GAG和ENV區域的表達在不同類型的MS和對照組之間沒有太大差異。

Repbase[14,34]分類的35個人類HERV家族中約有40,000個HERV元素。通過微陣列[34]研究了20個HERV家族代表性成員在幾種不同的正常人體組織中的轉錄活性。我們試圖從這些冷凍大腦樣本的cDNA中克隆和擴增特定的HERV位點,但沒有成功,可能是由於我們試圖研究的HERV序列具有高度同源性(數據未顯示)。因此,采用了一種更非傳統的方法,利用相關herv(進化支)之間的對齊。

具體來說,本研究采用了一種比對方法,利用HERV係統發育(圖1和圖2)設計了一致的引物序列(表2),擴增了多個不同的HERV ENV和GAG區域。這些區域在本研究中被指定為分支和子分支,來自分布在許多不同HERV家族中的28個GAG和88個ENV域序列(表S1)。我們采用的方法並沒有正式排除MS腦組織中某些非常特定的HERV位點可能升高的可能性。相反,我們感興趣的是獲得MS腦組織中HERV表達的廣泛概述,以補充我們之前的測序數據。

herv約占人類基因組[35]的8%。它們廣泛分布在人類基因組中,大多數不能產生病毒顆粒。HERV最近被證明是基因轉錄[36]的組織特異性增強子,一些人類蛋白質是HERV“馴化”的結果。合胞素就是一個例子,它是一種重要的蛋白質,能夠促進胎盤的發育[37,38]。herv被認為是諸如癌症、自身免疫性疾病和神經係統疾病[39]等慢性疾病的病因輔助因子。來自HERV-W家族的兩個完整的ENV orf被認為與MS有關:MSRV和ERVWE1(合胞素-1)[10]。

我們的團隊最近報告了一項RNA-seq研究,顯示一些herv和其他複古元素在一小組冰凍MS和對照腦組織樣本中顯著過表達。該研究發現GAG序列映射到GAG Clade 1 (HERV-K10, K-HERV)和ENV序列映射到ENV clades 2 (RTVL-Ia)和3 (K-HERV)的過表達(圖1和圖2)。然而,這些發現被目前的qPCR研究部分證實,ENV clades 3A和3B (HERV-K和HERV-E)的表達在MS患者[17]的血液、脊髓液和大腦樣本中ENV MSRV (HERV-W)水平升高。我們確實確認了這一發現,但MSRV表達增加的幅度相對較小——隻有1.15倍的變化)。

這項研究有許多固有的假設。首先,選擇HERV GAG和ENV區域進行評估,因為多項報告顯示,這些是最有可能參與免疫發病機製的逆轉錄病毒基因[17,40-43]。其次,我們假設從吉普賽2.0數據庫到RVGC的GAG和ENV基因崩塌足以代表所有GAG和ENV HERV結構域。第三,我們假設從HERV GAG和ENV的係統發育中設計的引物對被劃分為相關的序列(分支),提供了樣本中這些結構域RNA的合理表示。最後,我們假設這些死後樣本,通常是在死後幾小時采集的,準確地反映了死前組織的RNA含量。毫無疑問,細胞RNA在人死後不是靜止的,這顯然是我們研究的一個局限性,但神經係統正常或患病的人的新鮮大腦樣本根本無法進行比較。我們的MS樣本的PMIs明顯長於對照組,這可能導致MS組的表達量比對照組減少更多,導致低估了組間的表達差異。然而,任何PMI對表達的影響都應該通過RPL19歸一化來消除,據推測,RPL19的退化速度與我們測量的HERV結構域相似。所有這些假設都可以被批評,但該研究的目的是提供MS白質樣本中HERV表達的廣泛觀點。

結論

MS組HERV-E、RTVL和HERV-K10家族的GAG和ENV表達明顯增加。但MS組與對照組的相對表達差異較小,差異小於1.5倍。這些結果表明,在這些冷凍腦樣本中,HERV GAG和ENV區域的表達在MS和對照組之間沒有太大的差異。這項工作隻是部分證實了先前從類似的冷凍MS大腦標本中獲得的測序數據。

財務信息披露

這項工作由NIH/NINDS的R21NS077023撥款資助,“原發性進行性多發性硬化症大腦中病毒序列檢測的深度測序”。一些後續工作由國家MS協會資助,資助號#RG4807A4。


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條信息

Aritcle類型:研究文章

引用:Bhetariya PJ, Kriesel JD, Fischer KF(2017)人內源性逆轉錄病毒在多發性硬化斑塊中的表達分析。J新興病毒3(2):doi http://dx.doi.org/10.16966/2473-1846.133

版權:©2017 Bhetariya PJ,等。這是一篇開放獲取的文章,根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布,該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製,前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

  • 收到日期:07年6月2017年

  • 接受日期:2017年7月18日

  • 發表日期:2017年7月24日