Phylogenetic study on structural elements of HIV-1 poly(A) region. 2. USE domain and TAR hairpin

Abstract

Aim Phylogenetic study on structural elements in the poly(A) region of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1), in particular the major upstream sequence element (USE), which stimulates polyadenylation of HIV-1 transcript, and the TAR (trans-activation response) hairpin, which juxtaposes spatially the AAUAAA and USE signals. Methods. The secondary structure of these elements has been predicted by UNA Fold program. Results. The structure of USE domain and TAR hairpin has been analysed in 1679 HIV-1 genomes and 17 genomes of simian immunodeficiency virus SIVcpzPtt. We found 376 and 588 different sequences for these elements, respectively, and revealed the most frequent base changes and subtypeand country-specific mutations. Only 43 % of HIV-1 isolates contain variants of the USE domain which occur with a frequency 5 % (the main variants) and 35 % of isolates contain main variants of the TAR hairpin. We found that the SIV USE domain and TAR hairpin most closely resemble those found in HIV-1 genomes of A/G-containing subtypes. Conclusions. The results of our large-scale phylogenetic study support a hypothesis on the interaction between tRNA3Lys and the 3' end of HIV-1 genomic RNA and a controversial supposition of HIV-1 genome dimerization by the TAR-TAR kissing mechanism. Since the TAR hairpin is a target for developing antiviral drugs based on the inhibition of signal elements, the data on specific structural features of this hairpin may be useful for new antivirals design.

Мета. Провести філогенетичний аналіз структурних елементів області полі(А) у про-мРНК ВІЛ-1, зокрема, основного «верхнього» елемента (USE), який стимулює поліаденілювання транскрипту ВІЛ-1, і шпильки TAR, що просторово зближує сигнали AAUAAA і USE. Методи. Передбачення вторинної структури цих елементів здійснювали за допомогою програми UNAfold. Результати. Структуру домену USE і шпильки TAR проаналізовано для 1679 геномів ВІЛ-1 групи M та 17 геномів вірусу мавп SIVcpzPtt. У геномі ВІЛ-1 ми виявили 376 і 588 різних послідовностей для домену USE і шпильки TAR відповідно, а також найчастіші мутації і мутації, специфічні для певного субтипу або країни. Лише 43 % усіх досліджених геномів ВІЛ-1 містять варіанти домену USE, які зустрічаються з частотою 5 % (основні варіанти), і 35 % геномів включають основні варіанти TAR. Встановлено також, що домен USE і шпилька TAR з геному SIVcpzPtt дуже схожі на відповідні елементи з геному ВІЛ-1 A/G-вмісних субтипів. Висновки. Результати наших широкомасштабних досліджень підтримують гіпотезу щодо взаємодії між tRNA3Lys та 3'-кінцем геномної РНК ВІЛ-1, а також спірну гіпотезу димеризації шпильки TAR через взаємодію паліндромів. Оскільки шпилька TAR є об’єктом антивірусної терапії, спрямованої на пригнічення сигнальних елементів, дані стосовно специфічних особливостей цієї шпильки можуть бути корисними для створення нових лікарських препаратів.

Цель. Провести филогенетический анализ структурных элементов области поли(А) ВИЧ-1, в частности, основного «верхнего» элемента (USE), стимулирующего полиаденилирование транскрипта ВИЧ-1, и шпильки TAR, пространственно совмещающей сигналы AAUAAA и USE. Методы. Вторичная структура этих элементов предсказана программой UNAfold. Результаты. Структуры домена USE и шпильки TAR проанализированы в 1679 геномах ВИЧ-1 и 17 геномах вируса обезьян SIVcpzPtt. В геноме ВИЛ-1 мы выявили соответственно 376 и 588 различных последовательностей для домена USE и шпильки TAR, а также наиболее частые мутации и мутации, специфические для определенного субтипа или страны. Только 43 % всех исследованных геномов ВИЧ1 содержат варианты домена USE, встречающиеся с частотой 5 % (основные варианты), и 35 % геномов включают основные варианты TAR. Мы обнаружили, что домен USE и шпилька TAR в геноме SIVcpz Ptt наиболее близки по структуре к соответствующим элементам в геномах ВИЧ-1 A/G-содержащих субтипов. Выводы. Результаты наших широкомасштабных исследований свидетельствуют в пользу гипотезы взаимодействия между tRNA3Lys и 3'-концом генома ВИЧ-1, а также спорной гипотезы димеризации шпильки TAR через взаимодействие палиндромов. Поскольку шпилька TAR является объектом антивирусной терапии, направленной на подавление сигнальных элементов, данные о специфических особенностях этой шпильки могут быть полезными для создания новых лекарственных препаратов.