rewriting the history of zika sfrna evolution · rewriting the history of zika sfrna evolution...

16
Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wolfinger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Upload: others

Post on 20-Jun-2020

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Rewriting the history of Zika sfRNA evolution

Michael T. Wolfinger and Andrea Tanzer

February 17, 2016

Page 2: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

2015 Zika virus outbreak in Central and South America

An explosive pandemic of Zika virus (ZIKV) infection is reportedthroughout Central and South America and the Caribbean.

Originally isolated in 1947 (Uganda), Zika outbreaks were reported in 2007

(Micronesia), 2010 (Cambodia), 2013 (French Polynesia) and 2014 (Haiti).

Page 3: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Zika as a Global Health Threat

Health authorities in Brazil have observedan increase in Guillain-Barre syndrome whichcoincided with Zika virus infections and anincrease in babies born with microcephaly.The possible relationship beween micro-cephaly in babies and Zika virus is currentlyinvestigated, as well as other potental causes.

Page 4: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Flavivirus classification

Zika virus is a member of the Spondweni serocomplex within the genus

Flavivirus (FV), family Flaviviridae and maintained in a sylvatic transmission

cycle involving non-human primates and mosquitoes from the Aedes genus

(mainly Aedes aegypti in tropical regions). Humans serve as identical hosts.

FV ecological groupsMosquito-bourne (MBFV)

Tick-bourne (TBFV)

Vertebrate-specific, no known vector (NKFV)

Insect-speficic (ISFV)

Page 5: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Flavivirus characteristics

Single-stranded, positive-strand RNA viruses

Enters cell through receptor-mediated endocytosis

Capped, non-polyadenylated genome (gRNA) of 10-12kb length

Encodes a single ORF, flanked by structured 5’-UTR and 3’-UTR

Translation of FV ORF yields a single polyprotein

Page 6: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

sfRNA is generated upon incomplete gRNA degradation

Upon infection, FV hijack the the host cell’s RNA turnover machinery

mRNAs destined for degradation aredecapped, leaving a 5’ monophosphateas substrate for Xrn1

Exoribonuclease Xrn1 degrades ss-5’pRNA in a 5’→3’ direction

Xrn1 stalls near the beginning of FV3’UTR

Stalling occurs at Xrn1-resistant RNAs (xrRNAs), leaving intact sfRNA

Page 7: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

sfRNA structural elements

The mechanism of Xrn1 stalling has been extensively studied in DENV, WNV

and MVEV. Tertary interactions are crucial for Xrn1 stalling.

Page 8: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

micro RNA clusters

primary-precursor micro RNA(pri-miRNA) of cluster

Cleavage I: Drosha

precursor miRNA (pre-miRNAs)

Cleavage II: Dicer

mature miRNA (miRNAs)

post-transcriptional genesilencing (PTGS)

mRNA degradation (RNAi)

translational repression

_ CU UG

GCC

AU

GU

A

AA

AG

UG

CU

UA

CAG

UG

CA

GGU

AGC

UUU

UUGA

GAU

CUACUGCAA

UGC

AAGCACUUC

UU

ACAUUACCAU

GGU

G

AU

UU

AA

UC

AA

AG

GC

CA

CU

GAGAA

C C GU

AG

UU

UC

UGCAUAA

UU

AA

GUA

GUG G

AUGCUUUUGAGCUGC

UCCU

UAUAAUGUGU

CUCUUGUGUUAAGGU

GCAUCUAGU

GCAGUUA

GUG

AAGCA

GC U U

AGAA U

C UA C U G C C

C U A AA U G C C

C C U UCUC G C A C A G GC U

A C CU A A U A C A

C AG C A U

U U G A A A A G C A U A C CU U GAG A A A U A

A UUUGAAUAG

GA

CAAA

U U UCAAA

GGCUU___

UUUCAC

CG

U

UU

CA

CU

G_

___

__A

GA A A

C__

AGAUGGUGGG G

ACUGUG

__

G UG

UACAGUU

GUGU

ACA_AGGACAAGAUC GG

AUCCU

AGU

AGUAC

CA A

AGUGCUCAUAG

UGCAGGU

AG

UUU

UG G C

AUC

ACUC

UA

CU

GC

AG

UA

UG

AG

CA

CU

UCC

AGU

AC

UC

UU_

GG

AU

_A A C

AAAU

CUCU

UGUUGA

UGCAA

AG

AAUAUGCAAAG

AC

AU U

GC

UA C U U A C A A U U A G U U U U G C A G A U U U G C AGUUC A G CGU A U A U A

UG

AA

UAUAUGGCUGUGCAAAUCCAUGCAAAACUGAUUGUGAUAA

UG

UG

UG

CC

UU

UC

_U

GC

AU

CU

UU

A UG

GACA

CC

UUUA_

__

__

__

__

__

_G

CA

CC

CA

UG

CC

CA

UUC

AUCC

ACAGGU

GGGGAU

U_GUGGCA

UUACUU G

UGU

UAGA

UAUA

AA

GU

AUU

GC

AC

UUG

UC

CC

GG

CC

UG

AG

GA

AG

A_

____

____

AU

UG

CG

GC

GA

A U

A U

AC

AA

UA

GC

CAU

A

GCA

CG

C

GG

AU

AA

AU

UG

CU

UA

UA

GAUA

UAAG

AG

AU

C_

A_

G_

_U

AC

CA

A_

G_

UG

UA

AU

CG

AU

UG

_G

GC

UC

AU

GU

GC

UA

UA

A U

G C

A U

G C

G C

G C

U A

C G

C G

G U

C G

C G

C G

U A

G U

U _

C G

A U

C G

G C

U A

A U

U A

G C

A U

A U

miR-106a

miR-18

miR-20

miR-19b-2

miR-92-2

Page 9: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Mir-17 cluster evolution

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������

Mammalia Teleostei

I−B

I−A

I−C

II−D

��������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������

I

II

������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������

����������������������������������������

181720106b93

19

19b

19−3

92

25

deletion������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������

I−1

I−X

II

19b is copy of 19

20 is copy of 17

cluster duplication

93 is copy of 17

18 is copy of 17

Deletions

��������

���� ���� �������� ���� ���� ��������

��������

��������

��������

��������

��������

������

������

������

������

������

������

������

������

������

������

������������

��������

��������

��������

��������

��������

��������

��������

��������

���������������

���������������

������

������

������

������

������

������

������������

��������

��������

��������

��������

������������

������������

������

������

������

������

������������

��������

��������

��������

��������

������

������

������

������

������������

������

������

��������

��������

��������

��������

���������������

���������������

������

������

������������

��������

��������

������

������

��������

��������

���������������

���������������

������

������

������

������

������

������

������

������

������

������

������������

��������

��������

��������

��������

Page 10: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Expansion of The Metazoan MicroRNA Repertoire

2

Sm Cb Ce Am Tc Bm Ag D.sp. Sp MmRnGgXtTrTnDrCsCiOd

1

40

4

1

2

5

56

18

6

23

40

1

2

3

71 13

4

21

1

1 1

11

10

11

2

24

1

2

1

1

11

Md Bt Cf Pt Hs

44

11

46

tandem dupl.

non-localdupl.

innovations

Hertel et al., BMC Genomics.2006;7:25

Page 11: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

MicroRNAs in Development

2

Sm Cb Ce Am Tc Bm Ag D.sp. Sp MmRnGgXtTrTnDrCsCiOd

1

40

4

1

2

5

56

18

6

23

40

1

2

3

71 13

4

21

1

1 1

11

10

11

2

24

1

2

1

1

11

Md Bt Cf Pt Hs

44

11

46

chicken stage 22mir1, heart and somites

zebrafishmir122a liver

Hertel et al., BMC Genomics.2006;7:25

Page 12: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

RNA structure of SL elements

(((((................(((((..............)))))..)))))

DV1ref1_SL1 CAGGCCGGATTA------AGCCATAGCAC---GGTAAGAGCTATGCTGCCTG 43DV2ref1_SL1 CAGGTCGGATTA------AGCCATAGTAC---GGAAAAAACTATGCTACCTG 43DV3ref1_SL1 CAGGCCACCTTA------AGCCACAGTAC---GGAAGAAGCTGTGCTGCCTG 43ZVref1_SL1 CAGGCCTGCTAGT----CAGCCACAGTTT---GGGGAAAGCTGTGCAGCCTG 45IGVref1_SL1 CAGGCCGGAAAC-------GCCACCGGATGGT--CGTAAACGGTGCGGCCTG 43KOKVref1_SL1 CAGGCCTGAAAA-------GCCACCTGATC----CGGTGAAGGTGCTGCCTG 41JEVref1_SL1 CAGGCCAGCAAA---AGCTGCCACCGGATACTG-GGTAGACGGTGCTGTCTG 48MVEVref1_SL1 CAGGCCAGCCGGTTAGGCTGCCACCGAAGGTT--GGTAGACGGTGCTGCCTG 50WNVref1_SL1 CAGGCCAGATTA--ATGCTGCCACCGGAAGTTG-AGTAGACGGTGCTGCCTG 49WNVref2_SL1 CAGGCCGGGAAG--TTCCCGCCACCGGAAGTTG-AGTAGACGGTGCTGCCTG 49DV1ref1_SL2 CAGGCCG--------A-AAGCCACGGTTCG----AGCAAGCCGTGCTGCCTG 39DV2ref1_SL2 CAGGCCATC---ATAA-ATGCCATAGCTTG----AGTAAACTATGCAGCCTG 44DV3ref1_SL2 CAGGCC-------CCA-AAGCCACGGTTTG----AGCAAACCGTGCTGCCTG 40DV4ref1_SL2 CAGGCCA------CTT-GTGCCACGGTTTG----AGCAAACCGTGCTGCCTG 41ZVref1_SL2 CAGGCCG------AGA-ACGCCATGGCACGGA--ATGAAGCCATGCTGCCTG 43BSQVref1_SL2 CAGGCCAG-------AAATGCCACCGGATAAA--GGTAGACGGTGCTGCCTG 43IGVref1_SL2 CAGGCCG---------AAAGCCACCACAAGC--GGTACAGTGGTGCTGCCTG 41KEDVref1_SL2 CAGGCCACTCGTG-AGAGTGCCACAGTACGGTA---AAGACTGTGCGGCCTG 48KOKVref1_SL2 CAGATCC------GAA-AGGCCACCAGTTTGGTGCAGAACTGGTGCTATCTG 45JEVref1_SL2 CAGGCCAC---AAATTTGTGCCACCCC-------GCTAGGGGGTGCGGCCTG 42MVEVref1_SL2 CAGATCGC-----GAAAGCGCCACTTC-------GCCGAGGAGTGCAATCTG 40WNVref1_SL2 CAGACCAC-ACTTTAATGTGCCACTCT-------GC-GGAGAGTGCAGTCTG 43WNVref2_SL2 CAGACCAC-GCTACGGCGTGCTACTCT-------GC-GGAGAGTGCAGTCTG 43

.........10........20........30........40........50.

alidot.ps

C A G G C C A G _ _ _ _ _ _ _ A _ A U G C C A C C G U A U G _ _ _ _ A G U A A A C G G U G C U G C C U G

C A G G C C A G _ _ _ _ _ _ _ A _ A U G C C A C C G U A U G _ _ _ _ A G U A A A C G G U G C U G C C U GCA

GG

CC

AG

__

__

__

_A

_A

UG

CC

AC

CG

UA

UG

__

__

AG

UA

AA

CG

GU

GC

UG

CC

UG

CA

GG

CC

AG

__

__

__

_A

_A

UG

CC

AC

CG

UA

UG

__

__

AG

UA

AA

CG

GU

GC

UG

CC

UG

CAGGCCAG

_______A_AUGCC

AC

CG

UAU

G _ __

_AG

UAAA

CG

GU

G

C

UGCCUG

40 nt in length

1-2 copies per virus species

conserved structure

MFE structure not functional

Page 13: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Phylogenetic reconstruction

z(I ,J) =s(I ,J)−m√

v(1)

zscore of pairwise alignments as distance measuretwo sequences I and Jidentity score s(I ,J) of pairwise alignmentrandom permutation of positions of I and J independently of eachother results in sequences Iπ and Jπ

mean score m and the variance v are estimated from a sample of1000 alignments of sequences Iπ and Jπ

z-score used as similarity measure of I and J for WPGMA clustering

Page 14: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Duplication history of SL elements

KEDVref1_SL2PK

DV3ref1_SL1PK

KOKVref1_SL2PK

MVEVref1_SL1PK

ZVref1_SL1PK

DV1ref1_SL1PK

JEVref1_SL1PK

WNVref2_SL1PK

DV1ref1_SL2PK

WNVref2_SL2PK

DV4ref1_SL2PK

JEVref1_SL2PK

ZVref1_SL2PK

BSQVref1_SL2PK

WNVref1_SL1PK

DV2ref1_SL2PK

WNVref1_SL2PK

KOKVref1_SL1PK

MVEVref1_SL2PK

IGVref1_SL2PK

IGVref1_SL1PK

DV2ref1_SL1PK

DV3ref1_SL2PK

14.0

12.0

10.08.0

6.0

4.0

2.0

-0.0

1.711

1.576

2.278

1.759

1.131

1.79

1.471

1.41

3.13

0.896999

2.319

3.671

3.246

2.541

3.037

1.604

5.286

5.424

3.032

5.269

1.808

2.66

1.223

4.184

4.166

4.22

6.446

0.939001

5.561

0.798

1.272

4.589

1.849

2.089

2.12

10.459

0.825

3.625

1.916

1 2

2

2

1a 1b

11

JEVAROV SPOV

DENV

1b1a

JEV

AROV

SPON

DENV

Page 15: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Summary and outlook

3UTR contains 3 structre families

SL elements arose through independent deletions and tandemduplications

functional structures not most stable

→ build covariance model for SL

→ search faviviridae

→ extend to DB elements

→ model folding kinetics

⇒ apply on detailed analysis of zika strains

Page 16: Rewriting the history of Zika sfRNA evolution · Rewriting the history of Zika sfRNA evolution Michael T. Wol nger and Andrea Tanzer February 17, 2016

Team

Andrea TanzerMichael WolfingerBernhard ThielRoman OchsenreiterIvo Hofacker

Thank you!