3D моделі білків та консервативних G-квадруплексів в геномі цирковірусу свині
Анотація
Актуальність. Неканонічні структури, що утворюються в молекулах нуклеїнових кислот, до яких відносять, зокрема, мультиспіральні з’єднання 3WJs (three-way junction), квадруплекси (G4s), є регуляторними елементами, які впливають на функціонування геному. Побудова 3D моделей цих структур і білків патогенів є першим етапом у розумінні їхніх функцій. У створеній компанією Google DeepMind разом з EMBL базі даних AlphaFold Protein Structure Database, яка містить понад 241 мільйон структур білків, 3D моделі білків цирковірусу свині типу 3 (ЦВС-3) є відсутніми.
Мета роботи: визначення та структурна характеризація потенційних G4s і 3WJ в геномі ЦВС-3, побудова 3D моделей білків ЦВС-3.
Матеріали і методи. 1138 ізолятів ЦВС-3 з повним геномом з GenBank використано для філогенетичного аналізу за допомогою пакету програм MEGA12. Для побудови графіків ентропії використано пакет програм BioEdit; пошуку мотивів G4s та визначення їх G-рахунків — програму QGRS Mapper; пошуку 100%-ої ідентичності нуклеотидних послідовностей — програму BLAST. 3D моделі білків та G4s побудовано за допомогою штучного інтелекту AlphaFold 3.
Результати. В геномі ЦВС-3 ідентифіковано 4 консервативні досконалі G4s, які утворено трьома тетрадами та підтверджено через побудову їхніх 3D моделей. Визначені послідовності G4s є консервативними мотивами, оскільки число ізолятів ЦВС-3 в GenBank з G4s у геномі становить понад 1000. В якості контролю коректності побудови цих моделей використовували 3D моделі G4s, утворення одного з яких експериментально визначено в геномі вірусу гепатиту Б. 3D моделі реплікази та білка капсиду побудовано для двох еволюційно найвіддаленіших ізолятів ЦВС-3, які визначено з філогенетичних дерев на основі генів cap та rep, встановлено їхні особливості. 3WJs в геномі ЦВС-3 не виявлено.
Висновки. Отримано 3D моделі реплікази, білка капсиду цирковірусу свині типу 3, а також чотирьох консервативних структурних мотивів G4s, які утворено трьома G-тетрадами. Збільшення довжини фрагментів, які фланкують G4s, не перешкоджає їхньому фолдінгу, що свідчить про значущість цих G-багатих мотивів у життєвому циклі ЦВС-3. Існування G4s з трьох тетрад в геномі ЦВС-3 на відміну від двотетрадних G4s вірусу гепатиту Б у складі не тільки аптамерів, а й молекул збільшеної довжини підтверджено за допомогою AlphaFold 3.
Завантаження
Посилання
Zareie AR, Dabral P, Verma SC. G-quadruplexes in the regulation of viral gene expressions and their impacts on controlling infection. Pathogens. 2024;13(1):60. http://doi.org/10.3390/pathogens13010060
Monsen RC, Trent JO, Chaires JB. G-quadruplex DNA: a longer story. Acc Chem Res. 2022;55(22):3242–52. http://doi.org/10.1021/acs.accounts.2c00519
Wulfridge P, Sarma K. Intertwining roles of R-loops and G-quadruplexes in DNA repair, transcription and genome organization. Nat Cell Biol. 2024;26(7):1025–36. http://doi.org/10.1038/s41556-024-01437-4
Teng F-Y, Jiang Z-Z, Guo M, Tan X-Z, Chen F, Xi X-G, et al. G-quadruplex DNA: a novel target for drug design. Cell Mol Life Sci. 2021;78(19-20):6557–83. http://doi.org/10.1007/s00018-021-03921-8
Balasubramanian S, Neidle S. G-quadruplex nucleic acids as therapeutic targets. Curr Opin Chem Biol. 2009;13(3):345–53. http://doi.org/10.1016/j.cbpa.2009.04.637
Teng Y, Girvan AC, Casson LK, Pierce WM, Qian M, Thomas SD, et al. AS1411 alters the localization of a complex containing protein arginine methyltransferase 5 and nucleolin. Cancer Res. 2007;67(21):10491–500. http://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-06-4206
Zhang X, Xu H, Sun R, Xiong G, Shi X. An insight into G-quadruplexes: Identification and potential therapeutic targets in livestock viruses. Eur J Med Chem. 2024;279:116848. http://doi.org/10.1016/j.ejmech.2024.116848
Fang P, Xie C, Pan T, Cheng T, Chen W, Xia S, et al. Unfolding of an RNA G-quadruplex motif in the negative strand genome of porcine reproductive and respiratory syndrome virus by host and viral helicases to promote viral replication. Nucleic Acids Res. 2023;51(19):10752–67. https://doi.org/10.1093/nar/gkad759
Li Y, Zhu Y, Wang Y, Feng Y, Li D, Li S, et al. Characterization of RNA G-quadruplexes in porcine epidemic diarrhea virus genome and the antiviral activity of G-quadruplex ligands. Int J Biol Macromol. 2023;231:123282. http://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.123282
Liu W, He X, Zhu Y, Li Y, Wang Z, Li P, et al. Identification of a conserved G-quadruplex within the E165R of African swine fever virus (ASFV) as a potential antiviral target. J Biol Chem. 2024;300(7):107453. http://doi.org/10.1016/j.jbc.2024.107453
Phan TG, Giannitti F, Rossow S, Marthaler D, Knutson T, Li L, et al. Detection of a novel circovirus PCV3 in pigs with cardiac and multi-systemic inflammation. Virol J. 2016;13:184. https://doi.org/10.1186/s12985-016-0642-z
Da Silva RR, da Silva DF, da Silva VH, de Castro AM. Porcine circovirus 3: a new challenge to explore. Front Vet Sci. 2024;10:1266499. https://doi.org/10.3389/fvets.2023.1266499
Rudova N, Lymanska O, Stegniy B, Bolotin V, Solodiankin O, Gerilovych A. First detection of porcine circovirus type 3 in Ukraine. Agricult Sci Pract. 2021;8(2):16–23. https://doi.org/10.15407/agrisp8.02.016
Ha Z, Li J, Xie C, Yu C, Hao P, Zhang Y, et al. Prevalence, pathogenesis, and evolution of porcine circovirus type 3 in China from 2016 to 2019. Vet Microbiol. 2020;247:108756. http://doi.org/10.1016/j.vetmic.2020.108756
Chang C-C, Wu C-W, Chang Y-C, Wu C-Y, Chien M-S, Huang C. Detection and phylogenetic analysis of porcine circovirus type 3 in Taiwan. Arch Virol. 2021;166(1):259–63. http://doi.org/10.1007/s00705-020-04870-6
Turlewicz-Podbielska H, Augustyniak A, Pomorska-Mól M. Novel porcine circoviruses in view of lessons learned from porcine circovirus type 2-epidemiology and threat to pigs and other species. Viruses. 2022;14(2):261. http://doi.org/10.3390/v14020261
Assao VS, Santos MR, Pereira CER, Vannucci F, Silva-Junior A. Porcine circovirus 3 in North and South America: Epidemiology and genetic diversity. Transbound Emerg Dis. 2021;68(6):2949–56. http://doi.org/10.1111/tbed.14238
Zhai S-L, Lu S-S, Wei W-K, Lv D-H, Wen X-H, Zhai Q, et al. Reservoirs of porcine circoviruses: a mini review. Front Vet Sci. 2019;6:319. https://doi.org/10.3389/fvets.2019.00319
Gao Y-Y, Wang Q, Li H-W, Zhang S, Zhao J, Bao J, et al. Genomic composition and pathomechanisms of porcine circoviruses: A review. Virulence. 2024;15(1):2439524. http://doi.org/10.1080/21505594.2024.2439524
Abramson J, Adler J, Dunger J, Evans R, Green T, Pritzel A, et al. Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3. Nature. 2024;630(8016):493-500. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07487-w
Nobel Prize in Chemistry. Press release 2024 [homepage on the Internet]. [9 October 2024]. Available from https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2024/press-release/
Kumar S, Stecher G, Suleski M, Sanderford M, Sharma S, Tamura K. MEGA12: molecular evolutionary genetics analysis version 12 for adaptive and green computing. Mol Biol Evol. 2024;41:1–9. https://doi.org/10.1093/molbev/msae263
Hall TA. BioEdit: A user-friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT. Nucleic Acids Symp Ser. 1999;41:95–8.
Kosakovsky Pond SL, Frost SDW. Not so different after all: a comparison of methods for detecting amino acid sites under selection. Mol Biol Evol. 2005;22(5):1208–22. http://doi.org/10.1093/molbev/msi105
Gupta S, Gupta D, Bhatnagar S. Analysis of SARS-CoV-2 genome evolutionary patterns. Microbiol Spectr. 2024;12(2):е0265423. http://doi.org/10.1128/spectrum.02654-23
Kikin O, D’Antonio L, Bagga PS. QGRS Mapper: a web-based server for predicting G-quadruplexes in nucleotide sequences. Nucleic Acids Res. 2006;34(2):W676–W82. http://doi.org/10.1093/nar/gkl253
Menendez C, Frees S, Bagga PS. QGRS-H Predictor: a web server for predicting homologous quadruplex forming G-rich sequence motifs in nucleotide sequences. Nucleic Acids Res. 2012;40(W1):W96–W103. http://doi.org/10.1093/nar/gks422
Lombardi EP, Londono-Vallejo A. A guide to computational methods for G-quadruplex prediction. Nucleic Acids Res. 2020;48(1):1–15. http://doi.org/10.1093/nar/gkz1097
Powell HR, Islam SA, David A, Sternberg MJE. Phyre2.2: A community resource for template-based protein structure prediction. J Mol Biol. 2025;437(15):168960. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2025.168960
Limanskaya OYu, Balak OK, Limanskii AP. Noncanonical structures in the genome of bovine foamy virus. Cytology and Genetics. 2025;59(5):503–15. http://doi.org/ 10.3103/S009545272505007X
Wang J, Huang H, Zhao K, Teng Y, Zhao L, Xu Z, et al. G-quadruplex in hepatitis B virus pregenomic RNA promotes its translation. J Biol Chem. 2023;299(9):105151. http://doi.org/10.1016/j.jbc.2023.105151
Molnár OR, Végh A, Somkuti J, Smeller L. Characterization of a G‑quadruplex from hepatitis B virus and its stabilization by binding TMPyP4, BRACO19 and PhenDC3. Sci Rep. 2021;11:23243. https://doi.org/10.1038/s41598-021-02689-y
Monsen RC, DeLeeuw L, Dean WL, Gray RD, Sabo TM, Chakravarthy S, et al. The hTERT core promoter forms three parallel G-quadruplexes. Nucleic Acids Res, 2020;48(10):5720–34. http://doi.org/10.1093/nar/gkaa107
Zhang H, Endrizzi JA, Shu Y, Haque F, Sauter C, Shlyakhtenko LS, et al. Crystal structure of 3WJ core revealing divalent ion-promoted thermostability and assembly of the Phi29 hexameric motor pRNA. RNA. 2013;19(9):1226–37. http://doi.org/10.1261/rna.037077.112
Chu C-C, Plangger R, Kreutz C, Al-Hashimi HM. Dynamic ensemble of HIV-1 RRE stem IIB reveals non-native conformations that disrupt the Rev-binding site. Nucleic Acids Res. 2019;47(13):7105–17. http://doi.org/10.1093/nar/gkz498
Song Z, Gremminger T, Singh G, Cheng Y, Li J, Qiu L, et al. The three-way junction structure of the HIV-1 PBS-segment binds host enzyme important for viral infectivity. Nucleic Acids Res. 2021;49(10):5925–42. https://doi.org/10.1093/nar/gkab342
Stefos GC, Theodorou G, Politis I. Genomic landscape, polymorphism and possible LINE-associated delivery of G-quadruplex motifs in the bovine genes. Genomics. 2022;114(2):110272. http://doi.org/10.1016/j.ygeno.2022.110272
Frasson I, Nadai M, Richter SN. Conserved G-quadruplexes regulate the immediate early promoters of human Alphaherpesviruses. Molecules. 2019;24(13):2375. http://doi.org/10.3390/molecules24132375
Monsen RC, Chua EYD, Hopkins JB, Chaires JB, Trent JO. Structure of a 28.5 kDa duplex-embedded G-quadruplex system resolved to 7.4 Å resolution with cryo-EM. Nucleic Acids Res. 2023;51(4):1943–59. https://doi.org/10.1093/nar/gkad014
Wolfe AL, Singh K, Zhong Y, Drewe P, Rajasekhar VK, Sanghvi VR, et al. RNA G-quadruplexes cause eIF4A-dependent oncogene translation in cancer. Nature. 2014;513(7516): 65–70. http://doi.org/10.1038/nature13485
Wang SR, Zhang QY, Wang JQ, Ge X-Y, Song Y-Y, Wang Y-F, et al. Chemical targeting of a G-quadruplex RNA in the Ebola virus L gene. Cell Chem Biol. 2016;23(9):1113–22. http://doi.org/10.1016/j.chembiol.2016.07.019
KraussIR, Spiridonova V, Pical A, Napolitano V, Sica F. Different duplex/quadruplex junctions determine the properties of anti-thrombin aptamers with mixed folding. Nucleic Acids Res. 2016;44(2):983–91. http://doi.org/10.1093/nar/gkv1384
Tsukakoshi K, Yamagishi Y, Kanazashi M, Nakama K, Oshikawa D, Savory N, et al. G-quadruplex-forming aptamer enhances the peroxidase activity of myoglobin against luminol. Nucleic Acids Res. 2021;49(11):6069–81. https://doi.org/10.1093/nar/gkab388
Palinski R, Piсeyro P, Shang P, Yuan F, Guo R, Fang Y, et al. A novel porcine circovirus distantly related to known circoviruses is associated with porcine dermatitis and nephropathy syndrome and reproductive failure. J Virol. 2017;19(10): e01879-16. https://doi.org/10.1128/jvi.01879-16
Zhang Y, Skolnick J. Scoring function for automated assessment of protein structure template quality. Proteins. 2004;57(4):702–10. http://doi.org/10.1002/prot.20264
Xu J, Zhang Y. How significant is a protein structure similarity with TM-score = 0.5? Bioinformatics. 2010;26(7):889–95. http://doi.org/10.1093/bioinformatics/btq066
Cheung AK. Rolling-circle replication of an animal circovirus genome in a theta-replicating bacterial plasmid in Escherichia coli. J Virol. 2006;80(17):8686–94. http://doi.org/10.1128/JVI.00655-06
Ochoa S, Milam VT. Direct modeling of DNA and RNA aptamers with AlphaFold 3: A promising tool for predicting aptamer structures and aptamer−target interactions. ACS Synth Biol. 2025;14(8):3049–64. https://doi.org/10.1021/acssynbio.5c00196
Kyte J, Doolittle RF. A simple method for displaying the hydropathic character of a protein. J Mol Biol. 1982;157(1):105–132. https://doi.org/10.1016/0022-2836(82)90515-0
Abrusán G, Marsh JA. Alpha helices are more robust to mutations than beta strands. PLoS Comput Biol. 2016;12(12):e1005242. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1005242
Zhang M, Liu CC, Huang Y, Hill JE, Araya MB, Ojkic D, et al. Phylogenetic analysis of porcine circovirus 3 circulating in Canadian pigs. Vet Med Sci. 2022 Sep;8(5):1969–74. http://doi.org/10.1002/vms3.851
Авторське право (c) 2026 O. Ю. Лиманська, О. В. Білойван, О. К. Балак, О. П. Лиманський
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
