Humane endogene retrovirus og sygdom?

Endogene retrovirus er efterkommere af »gamle« retrovirusinfektioner, hvor retrovirus har integreret sig i værtens arvemateriale. Disse DNA-sekvenser medvirker i en række processer, såsom artsdannelse, ontogenese, regulering af vævsspecificitet og af genudtryk. Humane endogene retrovirus er i de senere år kommet i fokus i forbindelse med visse typer af cancer samt autoimmune sygdomme. Et ændret udtryk af humane endogene retrovirus er påvist ved systemisk lupus erythematosus, Sjögrens sygdom, reumatoid artrit og muligvis ved insulinkrævende diabetes. Ved multipel sklerose findes produktion af endogene retrovirus, som ellers ikke er replikativt aktive. Det vides endnu ikke, om relationerne mellem humane endogene retrovirus og sygdom er kausale.

Endogene og eksogene retrovirus

Menneskets arvemasse - genom - indeholder mange retrovirale elementer (provirussekvenser), som er rester af forhistoriske retrovirusinfektioner. Sekvenserne er overvejende defekte, idet selektion mod et replikerende patogen har ført til akkumulering af mutationer og deletioner.

Retrovirus kan overføres horisontalt som infektiøse partikler og vertikalt som endogent retroviralt DNA, som opstår ved at retrovirus' DNA: LTR-gag-pol-env- LTR, integreres i DNA i en inficeret kønscelle. Adskillige procent af menneskets arvemasse består af humane endogene retrovirus (HERV)-sekvenser. HERV-sekvenser har eksisteret gennem det meste af primatevolutionen, mens de eksogene virus hiv-1 og hiv-2 (human immune deficiency virus) i nyere tid smittede mennesket fra aber. De eksogene humane T-celleleukæmivirus (HTLV 1 og 2) har en betydeligt længere værtshistorie hos mennesket end hiv.

Hvis en retrovirusinfektion stopper med integrationen af provirus-DNA, kan cellen leve videre med det ikke-udtrykte virusgenom som passager. Cellens overlevelse kan også fortsætte, selv om virus-genomet aktiveres til ekspression. Begrebet ekspression anvendes ofte både om udtryk af HERV-gener på mRNA-form (findes hyppigt) og om udtryk af HERV som partikler (findes meget sjældent).

Hvis retrovirusinfektionen er aktiv, kan værtscellen dø som ved hiv-infektion af CD4+ T-celler, eller infektionen kan fortsætte i et reservoir som ved hiv-infektion af monocytter.

Både endogene og eksogene retrovirus findes overalt i dyreriget. For omkring 100 år siden blev det første retrovirus beskrevet (hos fugle), og senere er retrovirus fundet hos så forskellige værter som hajer og kænguruer.

HERV blev fundet i 1970'erne (1, 2). Fig. 1 viser en oprenset HERV-partikel. HTLV 1 er det først fundne humane eksogene retrovirus (1980) (4).

De tre andre velbeskrevne humane eksogene retrovirus, HTLV 2 (5), hiv 1 (6) og hiv 2 (7) blev alle fundet i 1980'erne. For få år siden er et femte eksogent retrovirus, HRV 5 (humant retrovirus 5), kommet til; det er endnu ikke påvist som partikler (8). Det drejer sig tilsyneladende egentlig om et endogent kanin-retrovirus (9). HRV-5 har en påfaldende lighed med klasse II-HERV, mens egentlige endogene former af de eksogene retrovirus HTLV og hiv ikke kendes (se Boks 1 ). HTLV har dog en del fælles træk med klasse I HERV, dels er visse gag- sekvenser homologe, dels har nogle klasse I-HERV også specielle RNA-splejsningsmønstre, som svarer til RNA-splejsningsmønstrene hos de komplicerede eksogene retrovirus.

Retrovirus og sygdom

Forbindelserne mellem retrovirus og sygdom er vanskelige at udrede: blandt andet fordi der for eksogene humane retrovirus kan være meget lang inkubationstid, før sygdommen bryder ud.

Langt de fleste HTLV 1-smittede er raske bærere, men omkring 1% af de smittede får efter mange års forløb enten adult T-celle-leukæmi eller tropisk spastisk paraparese, en kronisk progredierende neurologisk sygdom. HTLV 2 er ikke beskrevet som sikker sygdomsårsag (se Boks 1 ). Hiv forårsager aids hos stort set alle smittede, hos voksne er latenstiden op til ti år. Sekvenser af det nye HRV 5 er foreløbig fundet hos nogle patienter med autoimmune sygdomme (10) eller non-Hodgkins lymfomer (11).

For HERV er det endnu sværere at klarlægge eventuelle sygdomsrelationer. HERV repræsenterer potentielt aktive patogene faktorer både som virus, som proteiner og som gener. Langt de fleste HERV må være uskadelige, eftersom de findes hos alle og i alle celler, og eventuel patologi vil være betinget af mange faktorer i både arv og miljø (se Boks 2 for HERV's egenskaber). En oversigt over interessante HERV-grupper er vist i Tabel 1 .

HERV og genomstabilitet

De mange HERV-sekvenser i genomet udgør en pool af sekvenser, der kan danne grundlag for rekombination, både med eksogene virus og »internt« i genomet. Desuden har de forskellige HERV-familier - i varierende omfang og på trods af de overvejende defekte sekvenser - stadig bevaret mange egenskaber fra replikerende retrovirus.

HERV og cancer

HTLV1 kan forårsage en aggressiv T-celle-leukæmi, og HTLV2 er fundet i hårcelleleukæmier. De to virus koder ikke for onkogener, men koder for særlige regulatoriske proteiner, som virker neoplastisk transformerende (12).

Hos mus er der beskrevet mange endogene retrovirus. Mouse mammary tumour virus (MMTV) forårsager adenokarcinomer i mammakirtlerne hos modtagelige mus. MMTV skaber mutationer ved at integrere sig forskellige steder i genomet, og MMTV koder også et »superantigen«, et antigen, som uafhængigt af den sædvanlige præsentation sammen med MHC, kan stimulere visse T-celle-populationer. MMTV kan forekomme i infektiøs partikelform, både som eksogent og som endogent retrovirus, der kan ove rføres horisontalt gennem mælk (partikler fra både eksogent modtagne og visse endogene MMTV udtrykkes i lakterende mammakirtler), eller vertikalt gennem arv (endogene provirus). Hvis både endogene og eksogene MMTV aktiveres samtidig, kan de eventuelt forskellige komponenter i retroviruspartiklen komplementere og rekombinere med hinanden (13, 14). Det vides ikke, om MMTV spiller en rolle ved mammacancer hos mennesker.

Undersøgelserne af MMTV har vist, at ikkekomplette endogene retrovirus kan kompletteres gennem andre retrovirale sekvenser. Dette kan også blive af betydning for genterapi med retrovirale vektorer og i xenotransplantation med for eksempel grise- eller abeorganer, fordi disse metoder indebærer introduktion af nye retrovirussekvenser, der på uforudsigelig vis potentielt kan interagere med HERV.

Klasse II-HERV (HERV-K-elementerne) er tæt beslægtede med MMTV. Visse HERV-K er beskrevet som partikler, men HERV-K-partiklerne er ikke infektiøse. HERV-K er associeret med tumorigenese hos mennesker, idet HERV-K/HTDV kan findes som partikler i cellelinjer fra seminomer, og seminompatienter har et immunrespons mod dette HERV. Det vides dog ikke, om HERV-K er årsag til sygdommen eller forekommer som epifænomen (15). De tidligere omtalte eksogene HRV 5-sekvenser er også associeret med cancer, idet de er fundet i non-Hodgkins lymfomer (11).

HERV og autoimmune sygdomme

Proteiner fra endogene retrovirus udtrykkes i kimceller og embryovæv og kan her medvirke til induktion af tolerance under immunsystemets udvikling; mens aktivering af HERV til proteinudtryk eller ligefrem partikelproduktion senere i livet kan have patologisk betydning. Når man forsøger at vurdere, om HERV spiller en rolle som markører for eller medvirkende årsag til sygdom, er det derfor væsentligt at sammenholde sygdomsfund med situationen hos passende kontrolindivider (16). En oversigt over fund af HERV i autoimmune sygdomme findes i Tabel 2 .

Type 1-diabetes: I 1997 udkom en artikel, der postulerede en sammenhæng mellem produktion af et HERV-K-lignende endogent retrovirus og udviklingen af insulinkrævende diabetes (17). Artiklen har dog siden været stærkt omdiskuteret (18). Der er imidlertid nu klare indikationer for, at HERV-K koder for et IFN-α inducerbart superantigen (19) .

Reumatoid artrit (RA): Denne sygdom er associeret med bestemte HLA-DR/DQ-haplotyper, og en forskergruppe har vist, at et bestemt HERV-K-LTR-element, lokaliseret i HLA-DQB1, er signifikant hyppigere hos RA-patienter end hos kontrolpersoner (20). RA er karakteristisk ved progredierende destruktion af led forårsaget af invaderende synoviale fibroblaster. I synovialvæske er udtrykket af RNA for en række HERV markant anderledes hos RA-patienter end hos kontrolpersoner (21).

Systemisk lupus erythemathosus (SLE): Lupuspatienter kan have en lang række forskellige kliniske symptomer. I mononukleære celler fra perifert blod (PBMC) fra SLE-patienter er der påvist signifikant forøgede mængder af RNA fra det humane endogene retrovirus 4-1 (22). SLE-patienter har hyppigt antinukleære autoantistoffer mod et nukleært protein, som kodes af det endogene retrovirus HRES 1 (23). Det er også vist, at SLE-patienter har et forøget antistofrespons mod flere klasse I HERV-kodede peptider (24).

Sjögrens sygdom: en systemisk lidelse, der bl.a. er karakteriseret ved nedsat sekretproduktion ledsaget af lymfocytinfiltration af spyt- og tårekirtler. Hos patienter med Sjögrens sygdom findes en forøget hyppighed af antistoffer mod et rekombinant 4-1-kodet protein (25). Partikler fra et humant endogent intracisternielt retrovirus (HIAP) er påvist efter dyrkning af celler fra læbebiopsier fra patienter med Sjögrens sygdom (26).

Multipel sklerose (MS): en hyppigt forekommende, neurodegenerativ sygdom. To HERV klasse I-familier, HERV-H og HERV-W, er specielt associeret med MS. En fransk forskergruppe har beskæftiget sig med de endogene retrovirus MSRV/HERV-W, mens vi har arbejdet med HERV-H.

RT-PCR-undersøgelser af MS-patienters serum påviste MSRV/HERV-W-homologe pol- sekvenser hos halvdelen af M-patienterne og hos få kontrolpersoner (27). HERV-W er også transkriptionelt aktivt i placenta og har potentielt åbne læserammer (28, 29).

Vi har udført RT-PCR-undersøgelser af cellefrit plasma (som potentielt indeholder frie viruspartikler) fra MS-patienter og kontrolpersoner samt af oprensede virions fra supernatanter fra langtidsblodcellekulturer fra MS-patienter. Vi påviste HERV-H/RGH-2-homologe gag- og env- sekvenser udelukkende hos MS-patienterne (hos 70%). Vi fandt også HERV-H/RGH-2-homologe sekvenser i oprensede, revers transkriptasepositive virions fra MS-cellekulturerne (30-32). Med en optimeret oprensningsmetode (33) oprensede vi intakte virions (Fig. 1), som blandt andet er brugt til immunisering af rotter. De immuniserede rotter udviklede antistoffer, som reagerede med syntetiske HERV-H Gag- og Env-peptider (3), så eksistensen af egentlige HERV-H-virions er velunderbygget, selv om de enkelte HERV-H-kopier i den fuldt sekventerede del af det humane genom hver især har forskellige defekter.

En nyere undersøgelse har vist, at mRNA for HERV-W og HERV-K, og for HERV-H, er forhøjet i MS-hjerner (34). Udtryk af aktiverede HERV-H og MSRV/HERV-W er karakteristisk for MS, men det vides endnu ikke, om dette er årsagsrelateret, eller om det er et epifænomen.

En bestemt haplotype af HRES 1 (klasse I) forekommer desuden hyppigere hos MS-patienter end hos kontrolpersoner (35).

HERV som medvirkende årsag til
autoimmune sygdomme - hvordan?

Autoimmune sygdomme er udtryk for immunologisk dysfunktion, og ved mange autoimmune sygdomme optræder autoantistoffer, der reagerer med selvepitoper. Årsagerne til autoimmune sygdomme anses for at være kombinationer af arvelige faktorer og miljøfaktorer, og denne pleiotrope natur i sammenhæng med de mange genomiske kopier (med forskellige egenskaber) af medlemmerne af HERV-familierne er medvirkende faktorer til, at det er overordentlig vanskeligt at klarlægge provirus' individuelle bidrag til disse degenerative sygdomme. HERV, aktiveret af endogene eller udefrakommende faktorer, kan tænkes at inducere autoimmunitet både indirekte og direkte (36). Vi har tidligere præsenteret mulige årsagssammenhænge for HERV i MS i (3).

Aktivering af HERV kunne tænkes at føre til syntese og immunologisk præsentation af retrovirale proteiner med aminosyreligheder med cellulære proteiner (molekylær mimicry ). For eksempel krydsreagerer sera fra ikke-hiv-inficerede patienter med SLE med hiv p24 Gag-protein (37). Retrovirale proteiner kunne også fungere som superantigener - antigener, som fører til MHC klasse II-antigenspecificitetsuafhængig aktivering med deraf følgende cytokinproduktion og celledød. MMTV vides at kode for et superantigen, og fænomenet blev foreslået for den omdiskuterede HERV-K-diabetesrelation (19). Aktiverede HERV kunne også inducere lokale, virusspecifikke, inflammatoriske processer, som så kan aktivere antigenpræsenterende celler. Hvis de præsenterede antigener kan fungere som selvepitoper, opstår autoimmunitet (epitop spredning (38)).

Eksogene komplekse retrovirus som HTLV og hiv koder for en række forskellige regulatoriske proteiner. Flere komplekse HERV har også åbne læserammer for potentielle regulatoriske pr oteiner, der kunne interagere med cellulære gener (fx gener for cytokiner som IL 2).

Immunologisk dysfunktion kunne også bero på andre egenskaber hos HERV-kodede proteiner; man har for eksempel længe vidst, at en bestemt del af Env-proteinet hos en række eksogene retrovirus er immunosupprimerende, og det er netop blevet vist, at HERV-H Env også virker sådan (in vivo), idet HERV-H Env udtrykt på overfladen af tumorceller, der uden dette Env-protein afstødes af transplanterede mus, undslipper immunsystemet og fortsætter med at dele sig (39).

Undersøgelserne og forståelsen af HERV's patogene virologiske og genetiske potentiale er i sin spæde begyndelse; men de dage, da den gængse holdning var, at endogene retrovirus blot er »junk-DNA«, er et overstået kapitel.

Tove Christensen, Institut for Medicinsk Mikrobiologi og Immunologi, Aarhus Universitet, DK-8000 Århus C. E-mail: tc@microbiology.au.dk

Antaget den 23. juli 2002.

Aarhus Universitet, Institut for Medicinsk Mikrobiologi og Immunologi.

Vore undersøgelser støttes af Scleroseforeningen, Direktør Jacob Madsen og hustru Olga Madsens Fond, Direktør Ib Henriksens Fond, Mimi og Victor Larsens Fond, Mogens S. Mogensens Fond, Fonden til Lægevidenskabens Fremme og Vækstfonden. Vi takker laboranterne Margit Schjerven, Margit Aagaard, Ruth Nielsen, og Berit T. Sørensen for deres store arbejde.

1. Wilkinson DA, Mager DL, Leong J-AC. Endogenous human retroviruses. I: Levy JA, ed.New York: Retroviridae Plenum Press, 1994:vol. 3:465-535.
2. Hansen JES. Endogene retrovirus i det humane genom. Ugeskr Læger 1998;160:3695-8.
3. Christensen T, Sørensen PD, Riemann H, Hansen HJ, Møller-Larsen A. Retroviruses in MS. I: Hommes OR, Wekerle H, Clanet M, eds. Genes and viruses in multiple sclerosis. Amsterdam: Elsevier Science, 2001:195-207.
4. Poiesz BJ, Ruscetti FW, Cazdar AF, Bunn PA, Minna JD, Gallo RC. Detection and isolation of type C retrovirus particles from fresh and cultured lymphocytes of a patient with cutaneous T cell lymphoma. Proc Natl Acad Sci U S A 1980;77:7415-9.
5. Kalyanaraman VS, Sarngadharan MG, Robert-Guriff M, Miyoshi I, Golde D, Gallo RC. A new subtype of human T-cell leukemiavirus (HTLV-II) associated with a T cell variant of hairy cell leukemia. Science 1982;218: 571-3.
6. Barre-Sinoussi F, Chermann JC, Rey F, Nugeyre MT, Chamaret S, Gruest J et al. Isolation of a T-lymphotropic retrovirus from a patient at risk for acquired immune deficiency syndrome (AIDS). Science 1983;220:868-71.
7. Clavel F, Guetard D, Brun-Vezinet F, Chamaret S, Rey MA, Santos-Ferreire MO et al.Isolation of a new human retrovirus from West African patients with AIDS. Science 1986;233:343-6.
8. Griffiths DJ, Venables PJ, Weiss RA, Boyd MT. A novel exogenous retrovirus sequence identified in humans. J Virol 1997;71:2866-72.
9. Griffiths DJ, Voisset C, Venables PJ, Weiss RA. Novel endogenous retrovirus in rabbits previously reported as human retrovirus 5. J Virol 2002; 76: 7094-7102.
10. Griffiths DJ, Cooke SP, Herve C, Rigby SP, Mallon E, Hajeer A et al. Detection of human retrovirus 5 in patients with arthritis and systemic lupus erythematosus. Arthritis Rheum 1999;42:448-54.
11. Kozireva S, Lejniece S, Blomberg J, Murovska M. Human retrovirus type 5 sequences in non-Hodgkin's lymphoma of T cell origin. AIDS Res Hum Retroviruses 2001;17:953-6.
12. Kaplan MH. Human retroviruses and neoplastic disease. Clin Infect Dis 1993;17:S400-6.
13. Buggiano V, Goldman A, Nepomnaschy I, Bekinschtein P, Berguer P, Lombardi G et al. Characterization of two infectious mouse mammary tumour viruses: superantigenicity and tumorigenicity. Scand J Immunol 1999;49:269-77.
14. Golovkina TV, Jaffe AB, Ross SR. Coexpression of exogenous and endogenous mouse mammary tumor virus RNA in vivo results in viral recombination and broadens the virus host range. J Virol 1994;68:5019-26.
15. Tönjes RR, Löwer R, Boller K, Denner J, Hasenmaier B, Kirsch H et al. HERV-K: the biologically most active human endogenous retrovirus family. J Acq Imm Def Syndr Hum Retrovirol 1996;13:(suppl) 261-7.
16. Löwer R. The pathogenic potential of endogenous retroviruses: facts and fantasies. Trends Microbiol 1999;7:350-6.
17. Conrad B, Weissmahr RN, Böni J, Arcari R, Schüpbach J, Mach B. A human endogenous retroviral superantigen as candidate autoimmune gene in type 1 diabetes. Cell 1997;90:303-13.
18. Lower R, Tonjes RR, Boller K, Denner J, Kaiser B, Phelps RC et al. Development of insulin-dependent diabetes mellitus does not depend on specific expression of the human endogenous retrovirus HERV-K. Cell 1998;95:11-4, 16.
19. Staffer Y, Marguerat S, Meylan F et al. Interferon-alpha-induced endogenous superantigen: a model linking environment and autoimmunity. Immunity 2001: 15: 591-601.
20. Seidl C, Donner H, Petershofen E, Usadel KH, Seifried E, Kaltwasser JP et al. An endogenous retroviral long terminal repeat at the HLA-DQB1 gene locus confers susceptibility to rheumatoid arthritis. Hum Immunol 1999;60:63-8.
21. Nakagawa K, Brusic V, McColl G, Harrison LC. Direct evidence for the expression of multiple endogenous retroviruses in the synovial compartment in rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum 1997;40:627-38.
22. Ogasawara H, Naito T, Kaneko H, Hishikawa T, Sekigawa I, Hashimoto H et al. Quantitative analyses of messenger RNA of human endogenous retrovirus in patients with systemic lupus erythematosus. J Rheumatol 2001;28:533-8.
23. Lefranc D, Dubucquoi S, Almeras L, De Seze J, Tourvieille B, Dussart P et al. Molecular analysis of endogenous retrovirus HRES-1: identification of frameshift mutations in region encoding putative 28-kDa autoantigen. Biochem Biophys Res Commun 2001;283:437-44.
24. Bengtsson A, Blomberg J, Nived O, Pipkorn R, Toth L, Stuhrfeldt G. Selective antibody reactivity with peptides from human endogenous retroviruses and nonviral poly (amino acids) in patients with systemic lupus erythematosus. Arthritis Rheum 1996;39:1654-63.
25. Hishikawa T, Ogasawara H, Kaneko H, Shirasawa T, Matsuura Y, Sekigawa I et al. Detection of antibodies to a recombinant gag protein derived from human endogenous retrovirus clone 4-1 in autoimmune diseases. Viral Immunol 1997;10:137-47.
26. Deas JE, Thompson JJ, Fermin CD, Liu LL, Martin D, Garry RF et al. Viral induction, transmission and apoptosis among cells infected by a human intracisternal A-type retrovirus. Virus Res 1999;61:19-27.
27. Garson JA, Tuke PW, Giraud P, Pa