Рибозим вируса гепатита дельта
Рибозим вируса гепатита дельта | |
---|---|
![]() Предсказанная вторичная структура и консервативность последовательности рибозима HDV | |
Идентификаторы | |
Символ | HDV_рибозим |
Рфам | RF00094 |
Другие данные | |
РНК Тип | Джин ; рибозим |
Домен(ы) | Вирусы |
ТАК | ТАК: 0000374 |
PDB Структуры | ПДБе |

Рибозим вируса гепатита дельта (HDV) представляет собой некодирующую РНК, обнаруженную в вирусе гепатита дельта , которая необходима для репликации вируса. Вирус гепатита дельта — единственный известный человеческий вирус, который использует активность рибозимов для заражения своего хозяина. [ 1 ] Рибозим обрабатывает транскрипты РНК до единичных длин в реакции саморасщепления во время репликации вируса гепатита дельта, который, как полагают, распространяется по механизму двойного катящегося круга . [ 2 ] [ 3 ] Рибозим активен in vivo в отсутствие каких-либо белковых факторов и на момент своего открытия был самой быстрой из известных саморасщепляющихся РНК естественного происхождения. [ 4 ]
Кристаллическая структура этого рибозима была решена с помощью рентгеновской кристаллографии и показывает пять спиральных сегментов, соединенных двойным псевдоузлом . [ 1 ]
Помимо смысловой (геномной версии), все вирусы HDV имеют также антигеномную версию рибозима HDV. [ 5 ] Эта версия не является точной комплементарной последовательностью, но имеет ту же структуру, что и смысловая (геномная) цепь. Единственные «значительные» различия между ними — небольшая выпуклость в ножке P4 и более короткое соединение J4/2. Для репликации необходимы как геномные, так и антигеномные рибозимы. [ 2 ]
HDV-подобные рибозимы
[ редактировать ]Рибозим HDV структурно и биохимически родствен многим другим саморасщепляющимся рибозимам. Эти другие рибозимы часто называют примерами рибозимов HDV из-за этих сходств, хотя они не обнаружены в вирусах гепатита дельта. Их также можно назвать «HDV-подобными», чтобы указать на этот факт. [ 6 ]
HDV-подобные рибозимы включают рибозим CPEB3 млекопитающих , тета-рибозимы в бактериофагах, члены ретротранспозонов (например, в элементе РНК R2 у насекомых и в L1Tc и, возможно, в других ретротранспозонах у трипаносоматид) и последовательности бактерий. [ 7 ] [ 8 ] [ 6 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Эта группировка, вероятно, является результатом конвергентной эволюции : дельтавирус, обнаруженный вне человека, также обладает рибозимом DV, и никакие предложенные сценарии горизонтального переноса генов пока не могут объяснить это. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
Механизм катализа
[ редактировать ]Рибозим HDV катализирует расщепление фосфодиэфирной связи между субстратным нуклеотидом или олигонуклеотидом и 5'-гидроксилом рибозима. В вирусе гепатита дельта эта субстратная нуклеотидная последовательность начинается с уридина и известна как U(-1), однако идентичность нуклеотида -1 существенно не меняет скорость катализа. [ 1 ] Есть только требование к ее химической природе, поскольку, как показали Перротта и Бин, замена рибозы U(-1) на дезоксирибозу отменяет реакцию, что согласуется с предсказанием, что 2'-гидроксил является нуклеофилом в химическая реакция. [ 15 ] Следовательно, в отличие от многих других рибозимов, таких как рибозим «головка молотка» , рибозим HDV не имеет предшествующих требований для катализа и требует только одного рибонуклеотида -1 в качестве субстрата для эффективной реакции. [ 1 ]
Первоначально считалось, что 75-й нуклеотид рибозима, цитозин, известный как C75, способен действовать как общее основание, при этом N3 C75 отрывает протон от 2'-гидроксила нуклеотида U(-1) для образования способствуют нуклеофильной атаке фосфодиэфирной связи. [ 1 ] Однако, хотя точно установлено, что рКа N3 C75 отличается от нормального значения 4,45 и приближается примерно к 6,15 или 6,40, [ 16 ] [ 17 ] он недостаточно нейтрален, чтобы действовать как основной катализатор. Вместо этого считается, что N3 в C75 действует как кислота Льюиса, стабилизируя уходящий 5'-гидроксил рибозима; это подтверждается его близостью к 5'-гидроксилу в кристаллической структуре. [ 1 ] [ 18 ] Замена нуклеотида С75 на любой другой нуклеотид отменяет или существенно ухудшает активность рибозима, хотя эта активность может быть частично восстановлена имидазолом, что дополнительно вовлекает С75 в каталитическую активность. [ 19 ]
C75 в рибозиме HDV был предметом нескольких исследований из-за его специфической pKa. Типичные значения pKa для свободных нуклеозидов составляют от 3,5 до 4,2; эти более низкие значения pKa являются кислыми, и маловероятно, что они станут основными. Однако вполне вероятно, что структурное окружение внутри рибозима, которое включает в себя щель десольватированного активного центра, обеспечивает отрицательный электростатический потенциал, который может нарушить pKa цитозина настолько, чтобы он действовал как кислота Льюиса. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

В дополнение к стабилизации уходящей 5'-гидроксильной группы кислотой Льюиса в настоящее время также признано, что рибозим HDV может использовать ион металла для активации 2'-гидроксила для атаки на нуклеотид U(-1). Ион магния в активном центре рибозима координируется с 2'-гидроксильным нуклеофилом и кислородом расщепляющегося фосфата и может действовать как кислота Льюиса, активируя 2'-гидроксил. [ 19 ] [ 18 ] Кроме того, возможно, что фосфат U23 может действовать как кислота Льюиса, принимая протон от 2'-гидроксила, при этом магний выступает в качестве координирующего иона. [ 24 ] Поскольку рибозим HDV не требует активности ионов металлов, он не является облигатным металлоферментом, но присутствие магния в активном центре значительно улучшает реакцию расщепления. Рибозим HDV, по-видимому, действительно имеет неспецифическую потребность в небольших количествах двухвалентных катионов для сворачивания, будучи активным в отношении Mg. 2+ , Как 2+ , Мн 2+ и сэр 2+ . [ 1 ] В отсутствие ионов металлов вполне вероятно, что вода может заменить магний как кислоту Льюиса.
Регуляция с помощью вышестоящей РНК
[ редактировать ]Поскольку природа рибозима HDV быстро саморасщепляется, предыдущие эксперименты с рибонуклеазой были выполнены на 3'-продукте саморасщепления, а не на предшественнике. [ 25 ] Однако известно, что фланкирующая последовательность участвует в регуляции активности саморасщепления рибозима HDV. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] Поэтому последовательность, расположенная выше 5' сайта саморасщепления, была включена для изучения результирующей активности рибозима HDV по саморасщеплению. [ 26 ] Были идентифицированы две альтернативные структуры.
Первая ингибирующая структура свернута расширенным транскриптом (т.е. транскриптом -30/99, координаты указаны относительно сайта саморасщепления), простирающимся от 30 нт выше сайта расщепления до 15 нт ниже 3'-конца. [ 26 ] Фланкирующая последовательность изолирует рибозим в кинетической ловушке во время транскрипции и приводит к чрезвычайно снижению скорости саморасщепления. [ 26 ] Эта структура, предотвращающая саморасщепление, включает в себя 3 альтернативных стебля: Alt1, Alt2 и Alt3, которые нарушают активную конформацию. Alt1 представляет собой участок дальнего взаимодействия длиной 10 п.н., образованный ингибирующим восходящим участком (-25/-15 нт) и нижним участком (76/86 нт). [ 26 ] Alt1 разрушает стебель P2 в активной конформации, где предполагается, что P2 играет активирующую роль как для геномного, так и для антигеномного рибозима. [ 26 ] [ 29 ] [ 30 ] Alt2 представляет собой взаимодействие между расположенной выше фланкирующей последовательностью и рибозимом, а Alt3 представляет собой ненативное взаимодействие рибозим-рибозим. [ 26 ]
Вторичная структура этой ингибирующей конформации подтверждается различными экспериментальными подходами. [ 26 ] Сначала было выполнено прямое зондирование с помощью рибонуклеаз, а последующее моделирование с помощью mfold 3.0 с использованием ограничений результатов зондирования согласуется с предложенной структурой. [ 26 ] Во-вторых, для восстановления активности рибозима использовали серию ДНК-олигомеров, комплементарных различным областям AS1/2; результаты подтверждают ингибирующую роль AS1/2. [ 26 ] В-третьих, мутационный анализ вводит одиночные/двойные мутации вне рибозима, чтобы гарантировать, что наблюдаемая активность рибозима напрямую связана со стабильностью Alt1. [ 26 ] Обнаружено, что стабильность AS1 обратно пропорциональна активности саморасщепления. [ 26 ]
Вторая пермиссивная структура позволяет рибозиму HDV саморасщепляться ко-транскрипционно, и эта структура дополнительно включает часть -54/-18 нт транскрипта РНК. [ 26 ] Вышестоящий ингибирующий участок -24/-15 из вышеупомянутой ингибирующей конформации теперь изолирован в шпильке P(-1), расположенной выше сайта расщепления. [ 26 ] [ 31 ] [ 32 ] Однако мотив P(-1) обнаруживается только в геномной последовательности, что может коррелировать с тем явлением, что геномные копии РНК HDV более распространены в инфицированных клетках печени. [ 26 ] [ 5 ] Экспериментальные данные также подтверждают эту альтернативную структуру. Во-первых, структурное картирование с помощью рибонуклеазы используется для зондирования фрагмента -54/-1 вместо всего транскрипта-предшественника из-за природы быстрого расщепления этой структуры, что согласуется с локальной шпилькой P (-1) (между -54/ -40 и -18/-30 нт). [ 26 ] Во-вторых, эволюционная консервативность обнаружена в P(-1) и области связи между P(-1) и P1 среди 21 геномного изолята РНК HDV. [ 26 ]
Использование при подготовке транскрипта РНК
[ редактировать ]Особые свойства реакции расщепления рибозима HDV делают ее полезным инструментом для получения транскриптов РНК с гомогенными 3'-концами, что является альтернативой транскрипции РНК с помощью РНК-полимеразы Т7, которая часто может давать гетерогенные концы или нежелательные добавления. Вариант кДНК рибозима может быть получен рядом с кДНК целевой последовательности РНК и РНК, полученной транскрипцией с помощью РНК-полимеразы Т7. Последовательность рибозима будет эффективно расщеплять себя без каких-либо последующих требований, поскольку нуклеотид -1 является инвариантным, оставляя 2'-3'-циклический фосфат, который можно легко удалить обработкой фосфатазой или полинуклеотидкиназой Т4. [ 33 ] Затем целевую РНК можно очистить с помощью очистки в геле.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Ферре-Д'Амаре А.Р., Чжоу К., Дудна Дж.А. (октябрь 1998 г.). «Кристаллическая структура рибозима вируса гепатита дельта». Природа . 395 (6702): 567–574. Бибкод : 1998Natur.395..567F . дои : 10.1038/26912 . ПМИД 9783582 . S2CID 4359811 .
- ^ Перейти обратно: а б Модаль ЛЕ, Лай ММ (июль 1998 г.). «Транскрипция мРНК дельта-антигена гепатита продолжается на протяжении всей репликации вируса гепатита дельта (HDV): новая модель транскрипции и репликации РНК HDV» . Журнал вирусологии . 72 (7): 5449–5456. doi : 10.1128/JVI.72.7.5449-5456.1998 . ПМК 110180 . ПМИД 9621000 .
- ^ Макнотон Т.Б., Ши С.Т., Модал Л.Е., Лай М.М. (апрель 2002 г.). «Репликация РНК вируса гепатита дельта по катящемуся кругу осуществляется двумя разными клеточными РНК-полимеразами» . Журнал вирусологии . 76 (8): 3920–3927. doi : 10.1128/JVI.76.8.3920-3927.2002 . ПМК 136092 . ПМИД 11907231 .
- ^ Куо М.Ю., Шармин Л., Динтер-Готлиб Г., Тейлор Дж. (декабрь 1988 г.). «Характеристика саморасщепляющихся последовательностей РНК в геноме и антигеноме вируса гепатита дельта человека» . Журнал вирусологии . 62 (12): 4439–4444. doi : 10.1128/JVI.62.12.4439-4444.1988 . ПМЦ 253552 . ПМИД 3184270 .
- ^ Перейти обратно: а б Чен П.Дж., Калпана Г., Голдберг Дж., Мейсон В., Вернер Б., Герин Дж., Тейлор Дж. (ноябрь 1986 г.). «Структура и репликация генома вируса гепатита дельта» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 83 (22): 8774–8778. Бибкод : 1986PNAS...83.8774C . дои : 10.1073/pnas.83.22.8774 . ПМК 387014 . ПМИД 2430299 .
- ^ Перейти обратно: а б Уэбб Ч., Луптак А. (2011). «HDV-подобные саморасщепляющиеся рибозимы» . Биология РНК . 8 (5): 719–727. дои : 10.4161/rna.8.5.16226 . ПМЦ 3256349 . ПМИД 21734469 .
- ^ Эйкбуш Д.Г., Эйкбуш TH (июль 2010 г.). «Ретротранспозоны R2 кодируют саморасщепляющийся рибозим для обработки котранскрипта рРНК» . Молекулярная и клеточная биология . 30 (13): 3142–3150. дои : 10.1128/MCB.00300-10 . ПМЦ 2897577 . ПМИД 20421411 .
- ^ Уэбб CH, Ричителли, Нью-Джерси, Румински DJ, Луптак А (ноябрь 2009 г.). «Широкое распространение саморасщепляющихся рибозимов» . Наука . 326 (5955): 953. Бибкод : 2009Sci...326..953W . дои : 10.1126/science.1178084 . ПМК 3159031 . ПМИД 19965505 .
- ^ Санчес-Луке Ф.Х., Лопес М.К., Масиас Ф., Алонсо К., Томас М.К. (октябрь 2011 г.). «Идентификация рибозима, подобного вирусу гепатита дельта, на 5'-конце мРНК ретротранспозона L1Tc из Trypanosoma cruzi» . Исследования нуклеиновых кислот . 39 (18): 8065–8077. дои : 10.1093/nar/gkr478 . ПМК 3185411 . ПМИД 21724615 .
- ^ Санчес-Луке Ф, Лопес МК, Масиас Ф, Алонсо К, Томас МК (январь 2012 г.). «Pr77 и L1TcRz: двойная система на 5'-конце ретротранспозона L1Tc, внутренний промотор и HDV-подобный рибозим» . Мобильные генетические элементы . 2 (1): 1–7. дои : 10.4161/mge.19233 . ПМЦ 3383444 . ПМИД 22754746 .
- ^ Кинбек К., Мальфертайнер Л., Зельгер-Паулюс С., Йоханнсен С., фон Меринг С., Сигель Р.К. (февраль 2024 г.). «Идентификация HDV-подобных тета-рибозимов, участвующих в перекодировании кишечных бактериофагов на основе тРНК» . Нат Коммун . 15 (1): 1559. doi : 10.1038/s41467-024-45653-w . ПМЦ 10879173 . ПМИД 38378708 .
- ^ Хетцель У, Шировича Л, Смура Т, Прахаузер Б, Вапалахти О, Кипар А, Хепойоки Дж (апрель 2019 г.). «Идентификация нового дельтавируса у удавов » мБио 10 (2). дои : 10.1128/mBio.00014-19 . ПМК 6445931 . ПМИД 30940697 .
- ^ Чанг В.С., Петтерссон Дж.Х., Ле Лэй С., Ши М., Ло Н., Вилле М., Иден Дж.С., Холмс Э.К. (июль 2019 г.). «Новые агенты, подобные гепатиту D, у позвоночных и беспозвоночных» . Эволюция вирусов . 5 (2): vez021. дои : 10.1093/ve/vez021 . ПМК 6628682 . ПМИД 31321078 .
- ^ Параскевопулу С., Пирцер Ф., Гольдманн Н., Шмид Дж., Корман В.М., Готтула Л.Т. и др. (июль 2020 г.). «Дельтавирус млекопитающих без коинфекции гепаднавирусом у неотропических грызунов Proechimys semispinosus » . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (30): 17977–17983. Бибкод : 2020PNAS..11717977P . дои : 10.1073/pnas.2006750117 . ПМЦ 7395443 . ПМИД 32651267 .
- ^ Перротта А.Т., доктор медицинских наук (январь 1992 г.). «Расщепление олигорибонуклеотидов рибозимом, полученным из последовательности РНК вируса гепатита дельта». Биохимия . 31 (1): 16–21. дои : 10.1021/bi00116a004 . ПМИД 1731868 .
- ^ Ли Т.С., Радак Б.К., Харрис М.Э., Йорк Д.М. (2016). «Путь конформационного переключения, опосредованный двумя ионами металлов, для активации рибозима HDV» . АКС-катализ . 6 (3): 1853–1869. дои : 10.1021/acscatal.5b02158 . ПМК 5072530 . ПМИД 27774349 .
- ^ Гонг Б., Чен Дж.Х., Чейз Э., Чадалавада Д.М., Ядзима Р., Голден Б.Л., Бевилаква ПК, Кэри П.Р. (октябрь 2007 г.). «Прямое измерение pK (a) около нейтрального для каталитического цитозина в геномном рибозиме HDV с использованием рамановской кристаллографии». Журнал Американского химического общества . 129 (43): 13335–13342. дои : 10.1021/ja0743893 . ПМИД 17924627 .
- ^ Перейти обратно: а б Чен Дж. Х., Ядзима Р., Чадалавада Д. М., Чейз Э., Бевилаква ПК, Golden BL (август 2010 г.). «Кристаллическая структура предварительного расщепления рибозима HDV A 1,9 A предполагает, что как кислота Льюиса, так и общие кислотные механизмы способствуют расщеплению фосфодиэфира». Биохимия . 49 (31): 6508–6518. дои : 10.1021/bi100670p . ПМИД 20677830 .
- ^ Перейти обратно: а б Накано С., Proctor DJ, Bevilacqua PC (октябрь 2001 г.). «Механистическая характеристика геномного рибозима HDV: оценка каталитического и структурного вклада ионов двухвалентных металлов в механизме многоканальной реакции». Биохимия . 40 (40): 12022–12038. дои : 10.1021/bi011253n . ПМИД 11580278 .
- ^ Раджагопал П., Фейгон Дж. (июнь 1989 г.). «Образование трехцепочечной цепи в гомопуриновых:гомопиримидиновых ДНК-олигонуклеотидах d(GA)4 и d(TC)4». Природа . 339 (6226): 637–640. Бибкод : 1989Natur.339..637R . дои : 10.1038/339637a0 . ПМИД 2733796 . S2CID 4313895 .
- ^ Скленар В., Фейгон Дж. (июнь 1990 г.). «Образование стабильного триплекса из одной цепи ДНК». Природа . 345 (6278): 836–838. Бибкод : 1990Natur.345..836S . дои : 10.1038/345836a0 . ПМИД 2359461 . S2CID 4233036 .
- ^ Коннелл Дж.Дж., Ярус М. (май 1994 г.). «РНК с двойной специфичностью и двойные РНК с аналогичной специфичностью». Наука . 264 (5162): 1137–1141. Бибкод : 1994Sci...264.1137C . дои : 10.1126/science.7513905 . ПМИД 7513905 .
- ^ Лего П., Парди А. (сентябрь 1994 г.). «Зондирование протонирования аденина в РНК in situ с помощью ЯМР 13C». Журнал Американского химического общества . 116 (18): 8390–8391. дои : 10.1021/ja00097a066 .
- ^ Каспрович А, Кемпиньска А, Смольска Б, Вжесиньский Ю, Цеселка Ю (2015). «Применение флуоресцентно меченного трансдействующего антигеномного рибозима HDV для мониторинга взаимодействий антибиотика и РНК». Аналитические методы . 7 (24): 10414–10421. дои : 10.1039/C5AY02953H .
- ^ Розенштейн С.П., доктор медицинских наук (октябрь 1991 г.). «Доказательства того, что саморасщепляющиеся элементы геномной и антигеномной РНК вируса гепатита дельта имеют схожие вторичные структуры» . Исследования нуклеиновых кислот . 19 (19): 5409–5416. дои : 10.1093/нар/19.19.5409 . ПМК 328906 . ПМИД 1923826 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Чадалавада Д.М., Кнудсен С.М., Накано С., Бевилаква ПК (август 2000 г.). «Роль вышележащей структуры РНК в облегчении каталитической складки геномного рибозима вируса гепатита дельта». Журнал молекулярной биологии . 301 (2): 349–367. дои : 10.1006/jmbi.2000.3953 . ПМИД 10926514 .
- ^ Перротта А.Т., доктор медицинских наук (декабрь 1990 г.). «Саморасщепляющийся домен геномной РНК вируса гепатита дельта: требования к последовательности и эффекты денатуранта» . Исследования нуклеиновых кислот . 18 (23): 6821–6827. дои : 10.1093/нар/18.23.6821 . ПМЦ 332737 . ПМИД 2263447 .
- ^ Перротта А.Т., доктор медицинских наук (апрель 1991 г.). «Псевдоузлоподобная структура, необходимая для эффективного саморасщепления РНК вируса гепатита дельта». Природа . 350 (6317): 434–436. Бибкод : 1991Natur.350..434P . дои : 10.1038/350434a0 . ПМИД 2011192 . S2CID 4331028 .
- ^ Матысяк М., Вжесинский Ю., Цеселка Ю. (август 1999 г.). «Последовательное сворачивание геномного рибозима вируса гепатита дельта: структурный анализ промежуточных продуктов транскрипции РНК». Журнал молекулярной биологии . 291 (2): 283–294. дои : 10.1006/jmbi.1999.2955 . ПМИД 10438621 .
- ^ Перротта А.Т., Никифорова О., Бин, доктор медицинских наук (февраль 1999 г.). «Консервативный выпуклый аденозин в периферическом дуплексе антигеномной саморасщепляющейся РНК HDV уменьшает кинетический захват неактивных конформаций» . Исследования нуклеиновых кислот . 27 (3): 795–802. дои : 10.1093/нар/27.3.795 . ПМЦ 148249 . ПМИД 9889275 .
- ^ Мэтьюз Д.Х., Сабина Дж., Цукер М., Тернер Д.Х. (май 1999 г.). «Расширенная зависимость термодинамических параметров от последовательности улучшает предсказание вторичной структуры РНК» . Журнал молекулярной биологии . 288 (5): 911–940. дои : 10.1006/jmbi.1999.2700 . ПМИД 10329189 .
- ^ Цукер М., Мэтьюз Д., Тернер Д. (1999). «Алгоритмы и термодинамика для предсказания вторичной структуры РНК. Практическое руководство». В Кларке Дж.Б. (ред.). Биохимия и биотехнология РНК . Серия НАТО ASI. Дордрехт, Нидерланды: Kluwer Academic Publishers.
- ^ Вихлач А., Легевич М., Цеселка Ю. (февраль 2004 г.). «Генерация in vitro транскриптов с гомогенными 3'-концами с использованием транс-действующего антигеномного дельта-рибозима» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (3): 39д–39. дои : 10.1093/нар/gnh037 . ПМЦ 373431 . ПМИД 14973333 .