RNA viruses rely entirely on the host machinery for their protein synthesis and harbor non-canonical translation mechanisms, such as alternative initiation and programmed –1 ribosomal frameshifting (–1PRF), to suit their specific needs. On the other hand, host cells have developed a variety of defensive strategies to safeguard their translational apparatus and at times transiently shut down global translation. An infection can lead to substantial translational remodeling in cells and translational control is critical during antiviral response. Due to their sheer diversity, this control is likely unique to each RNA virus and the intricacies of post-transcriptional regulation are unclear in certain viral species.
Here, we explored different aspects of translational regulation in virus-infected cells in detail. Using ribosome profiling, we extensively characterized the translational landscape in HIV-1 infected T cells, uncovering novel features of gene regulation in both host and virus. Additionally, we show that substantial pausing occurs prior to the frameshift site indicating complex regulatory mechanisms involving upstream viral RNA elements that can act as cis- regulators of frameshifting.
We also characterized the mechanistic details of trans- modulation of frameshifting by host- and virus-encoded proteins. Host antiviral protein ZAP-S binds to the SARS-CoV-2 frameshift site and destabilizes the stimulatory structure, leading to frameshift inhibition. On the other hand, EMCV 2A protein stabilizes the viral frameshift site, thereby, activating EMCV frameshifting. While both proteins were shown to be antagonistic in their mechanism, they interact with the host translational machinery. Furthermore, we showed that frameshifting can be regulated not just by proteins, but also by small molecules. High-throughput screening of natural and synthetic compounds identified two potent frameshift inhibitors that also impeded viral replication, namely trichangion and compound 25. Together, this work largely enhances our understanding of gene regulation mechanisms in virus-infected cells and further validates the druggability of viral –1 PRF site. / RNA-Viren sind bei der Proteinsynthese vollständig auf die Maschinerie des Wirts angewiesen und verfügen über nicht-kanonische Translationsmechanismen wie alternative Initiation und –1 programmiertes ribosomales Frameshifting (–1PRF), um ihre spezifischen Bedürfnisse zu erfüllen. Auf der anderen Seite haben die Wirtszellen eine Vielzahl von Abwehrstrategien entwickelt, um ihren Translationsapparat zu schützen und die globale Translation gegebenenfalls vorübergehend abzuschalten. Eine Infektion kann zu einer erheblichen Umgestaltung der Translation in den Zellen führen und die Kontrolle der Translation ist für die antivirale Reaktion von entscheidender Bedeutung. Aufgrund ihrer großen Vielfalt ist diese
Kontrolle wahrscheinlich für jedes RNA-Virus einzigartig, und die Feinheiten der posttranskriptionellen Regulierung sind bei bestimmten Virusarten noch unklar. Hier haben wir verschiedene Aspekte der Translationsregulation in virusinfizierten Zellen im Detail untersucht. Mithilfe von Ribosomen-Profiling haben wir die Translationslandschaft in HIV-1-infizierten T-Zellen umfassend charakterisiert und dabei neue Merkmale der Genregulation sowohl im Wirt als auch im Virus aufgedeckt. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass Ribosomen vor der Frameshift-Stelle zu einem erheblichen Maße pausieren, was auf komplexe Regulationsmechanismen hinweist, an denen vorgelagerte virale RNA-Elemente beteiligt sind, die als cis-Regulatoren des Frameshifting wirken können. Darüber hinaus haben wir die mechanistischen Details der trans-Modulation des Frameshifting durch vom Wirt und vom Virus kodierte Proteine charakterisiert. Das antivirale Wirtsprotein ZAP-S bindet an die SARS-CoV-2 Frameshift-Stelle und destabilisiert die stimulierende Struktur, was zu einer Hemmung des Frameshifting führt. Auf der anderen Seite stabilisiert das EMCV-2A-Protein die virale Frameshift-Stelle und aktiviert dadurch das EMCV-Frameshifting. Obwohl sich beide Proteine in ihrem Mechanismus als antagonistisch erwiesen haben, interagieren sie mit der Translationsmaschinerie des Wirts. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass das Frameshifting nicht nur durch Proteine, sondern auch durch kleine Moleküle reguliert werden kann. Durch ein Hochdurchsatz-Screening natürlicher und synthetischer Verbindungen wurden zwei potente Frameshift-Inhibitoren identifiziert, die auch die virale Replikation behinderten, nämlich Trichangion und Compound 25. Zusammengenommen verbessert diese Arbeit unser Verständnis der Mechanismen der Genregulierung in virusinfizierten Zellen und bestätigt die Medikamentenfähigkeit der viralen -1 PRF-Seite.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:31099 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Kibe, Anuja |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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