HIV-1のTatと超伸長複合体によるTARループ認識の構造機構

Structural mechanism for HIV-1 TAR loop recognition by Tat and the super elongation complex.

• Ursula Schulze-Gahmen
• James H Hurley

抄録

RNAポリメラーゼII（Pol II）によるプロモーター近位の一時停止は、ヒト免疫不全ウイルス-1（HIV-1）の転写における重要な制御ステップであり、その結果、HIVの潜伏を逆転させることにつながる。HIV-1 Tatは、新生トランザクティベート応答領域（TAR）RNAと結合することで、ヒト超伸長複合体（SEC）をプロモーターにリクルートし、一時停止したPol IIを放出する。TAR相互作用の構造研究は、これまで主にTatのアルギニンリッチモチーフ（ARM）とTARバルジとの相互作用に焦点を当ててきたが、本研究では、TARバルジの結晶構造とTatのアルギニンリッチモチーフ（ARM）との相互作用を明らかにし、TARバルジとTatのアルギニンリッチモチーフ（ARM）との相互作用を明らかにした。ここでは、TatとSECコアとの複合体であるTARループの結晶構造を3.5Å分解能で決定した。結合したTARループはクロスループ水素結合によって安定化されている。TARループは、サイクリンT1のTat-TAR認識モチーフ(TRM)の側鎖とTatの亜鉛配位ループと構造特異的に接触している。TARループのリン酸骨格は、CycT1 TRMの正に帯電した側鎖と静電相互作用およびVDW相互作用を形成している。変異解析により、これらの相互作用が結合親和性に重要な役割を果たしていることが示された。Tat ARMは結晶化コンストラクト中に存在していたが、電子密度では可視化されておらず、結晶化に使用したRNAコンストラクトではTARバルジは形成されていなかった。結合アッセイでは、TARバルジとTat ARMの相互作用は、TARループとCycT1 TRMおよびTatコアとの相互作用よりもTARの結合親和性への寄与が少ないことが示された。このように、TARループはTRMと高親和性の相互作用を行うように進化し、TatはTRMを足場にして安定化させる役割、亜鉛配位ループを介して特異的な相互作用を行う役割、ARMを介して静電的な相互作用を行う役割の3つの役割を担っていることがわかりました。

Promoter-proximal pausing by RNA polymerase II (Pol II) is a key regulatory step in human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) transcription and thus in the reversal of HIV latency. By binding to the nascent transactivating response region (TAR) RNA, HIV-1 Tat recruits the human super elongation complex (SEC) to the promoter and releases paused Pol II. Structural studies of TAR interactions have been largely focused on interactions between the TAR bulge and the arginine-rich motif (ARM) of Tat. Here, the crystal structure of the TAR loop in complex with Tat and the SEC core was determined at a 3.5-Å resolution. The bound TAR loop is stabilized by cross-loop hydrogen bonds. It makes structure-specific contacts with the side chains of the Cyclin T1 Tat-TAR recognition motif (TRM) and the zinc-coordinating loop of Tat. The TAR loop phosphate backbone forms electrostatic and VDW interactions with positively charged side chains of the CycT1 TRM. Mutational analysis showed that these interactions contribute importantly to binding affinity. The Tat ARM was present in the crystallized construct; however, it was not visualized in the electron density, and the TAR bulge was not formed in the RNA construct used in crystallization. Binding assays showed that TAR bulge-Tat ARM interactions contribute less to TAR binding affinity than TAR loop interactions with the CycT1 TRM and Tat core. Thus, the TAR loop evolved to make high-affinity interactions with the TRM while Tat has three roles: scaffolding and stabilizing the TRM, making specific interactions through its zinc-coordinating loop, and making electrostatic interactions through its ARM.