レトロウイルス長末端リピートプロモーターの安定保存型G-四重鎖構造

Stable and Conserved G-Quadruplexes in the Long Terminal Repeat Promoter of Retroviruses.

• Emanuela Ruggiero
• Martina Tassinari
• Rosalba Perrone
• Matteo Nadai
• Sara N Richter

抄録

レトロウイルスは、ヒトから家畜や農場動物、霊長類から野生動物まで、ほぼすべての脊椎動物に感染し、免疫不全、神経障害、がんなどの重篤な疾患を引き起こす。また、ヒト以外のレトロウイルスも最近、ヒトの疾患と関連している。現在までに有効な治療法はなく、レトロウイルスに特異的な治療標的を見つけることが喫緊の課題となっています。G-四重鎖は、グアニンが豊富な領域で形成される四本鎖核酸構造である。HIV-1 の LTR プロモーターに存在する G-四重鎖核酸構造の保存性が高く、ウイルスの転写機構を制御することが明らかになっている。本研究では、レトロウイルス科におけるG-四重鎖構造の存在と保存性を調べることを目的とした。ゲノムワイドなバイオインフォマティクス解析の結果、レトロウイルスの多くは、高い遺伝的変動性が認められているにもかかわらず、プロモーター領域に高度に保存されたG-四重鎖形成配列を含むことが明らかになった。生物物理学的および生体分子アッセイにより、これらの配列は、関連するカチオンの生理的濃度で実際にG-四重鎖に折り畳まれ、リガンドによってさらに安定化されることが証明されました。これらの結果は、レトロウイルスにおける G-quadruplex の関連性を検証し、革新的な抗レトロウイルス薬としての G-quadruplex リガンドの採用を支持するものである。本研究は、ヒトおよび動物種におけるレトロウイルス感染症の管理における新たな経路の可能性を示しています。また、レトロウイルスゲノムやヒトゲノム中のトランススポーズ可能要素のメカニズムや機能についても明らかにすることができるかもしれません。

Retroviruses infect almost all vertebrates, from humans to domestic and farm animals, from primates to wild animals, where they cause severe diseases, including immunodeficiencies, neurological disorders, and cancer. Nonhuman retroviruses have also been recently associated with human diseases. To date, no effective treatments are available; therefore, finding retrovirus-specific therapeutic targets is becoming an impelling issue. G-Quadruplexes are four-stranded nucleic acid structures that form in guanine-rich regions. Highly conserved G-quadruplexes located in the long-terminal-repeat (LTR) promoter of HIV-1 were shown to modulate the virus transcription machinery; moreover, the astonishingly high degree of conservation of G-quadruplex sequences in all primate lentiviruses corroborates the idea that these noncanonical nucleic acid structures are crucial elements in the lentiviral biology and thus have been selected for during evolution. In this work, we aimed at investigating the presence and conservation of G-quadruplexes in the Retroviridae family. Genomewide bioinformatics analysis showed that, despite their documented high genetic variability, most retroviruses contain highly conserved putative G-quadruplex-forming sequences in their promoter regions. Biophysical and biomolecular assays proved that these sequences actually fold into G-quadruplexes in physiological concentrations of relevant cations and that they are further stabilized by ligands. These results validate the relevance of G-quadruplexes in retroviruses and endorse the employment of G-quadruplex ligands as innovative antiretroviral drugs. This study indicates new possible pathways in the management of retroviral infections in humans and animal species. Moreover, it may shed light on the mechanism and functions of retrovirus genomes and derived transposable elements in the human genome.