rewriting the history of zika sfrna evolution · rewriting the history of zika sfrna evolution...
TRANSCRIPT
Rewriting the history of Zika sfRNA evolution
Michael T. Wolfinger 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).
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.
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)
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
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
sfRNA structural elements
The mechanism of Xrn1 stalling has been extensively studied in DENV, WNV
and MVEV. Tertary interactions are crucial for Xrn1 stalling.
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
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
��������
���� ���� �������� ���� ���� ��������
��������
��������
��������
��������
��������
������
������
������
������
������
������
������
������
������
������
������������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
���������������
���������������
������
������
������
������
������
������
������������
��������
��������
��������
��������
������������
������������
������
������
������
������
������������
��������
��������
��������
��������
������
������
������
������
������������
������
������
��������
��������
��������
��������
���������������
���������������
������
������
������������
��������
��������
������
������
��������
��������
���������������
���������������
������
������
������
������
������
������
������
������
������
������
������������
��������
��������
��������
��������
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
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
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
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
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
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
Team
Andrea TanzerMichael WolfingerBernhard ThielRoman OchsenreiterIvo Hofacker
Thank you!