(RNA-) Structuredness in Viruses...Viruses I Minimal Life Forms Obligate intracellular parasites No...
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(RNA-) Structuredness in Viruses
Roman Ochsenreiter
TBI WienUniversity of Vienna
16.2.2017 / TBI Winterseminar
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Viruses IMinimal Life Forms
Obligate intracellularparasites
No organelles
(Very) small size
DNA/RNA genomes
Electron micrograph of an Ebola Virion, size: 1000 nm(image source: wikipedia)
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Viruses IIMinimal Life Forms
Figure: Crystal Structure and Schematic of Rhinovirus A 1
Genome size (nt): Human: 3.2 Γ 109 Rhinovirus: 7 Γ 103
1Zhao et al. 1996Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Viruses and RNA Structure
Viruses have tightly packed genomesSpecific Functions are often provided by RNA Structures
Figure: Pestivirus IRES1, Rhinovirus CRE-Element
1Rfam IDs: RF00209, RF00220Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Viral DiversityBaltimore Classification
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Viral DiversityBaltimore Classification
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Viral DiversityViral Phylogeny
1957. 79 Kokober a_vi r us3165. 21 Banzi _vi r us_st r ai n_SAH_336_pol ypr ot ei n_gene3106. 79 Edge_Hi l l _vi r us_st r ai n_YMP_48_pol ypr ot ei n_gene
645. 80
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431. 84
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3246. 44
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1812. 66
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1686. 38 Dengue_vi r us_11693. 62 Dengue_vi r us_3
594. 96328. 09
2010. 88
150. 08
2001. 12 Spondweni _vi r us2055. 88 Zi ka_vi r us
1381. 72
3926. 61 Kedougou_vi r us
276. 39
3689. 41 Bussuquar a_vi r us
1957. 79 Spondveni (Zika) Virus
Dengue Virus
West Nile Virus / Japan Encephalitis Virus
Tick-borne Flaviviruses
Mosquito-borne FVs
Yellow Fever Virus
Figure: Picorna-like Viruses (left)1, Flavivirus (right
1Fauquet, Schrock; 2006Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Viral DiversityViral Phylogeny
Phylogenetic Tree of Viruses
GrΓΌneFilamentΓΆse
BakterienSpirochΓ€ten
Gram-positive
Proteobakterien
Cyanobakterien
Planctomyceten
BacteroidesCytophaga
Thermotogae
Aquifex
HalophileMethanosarcina
Methanobacterium
Methanococcus
T. celer
ThermoproteusPyrodicticum
Entamoebae Schleim-pilze
TierePilze
Pflanzen
Wimperntierchen
Flagellaten
Trichomonaden
Microsporidien
Diplomonaden
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Virus Ortholog Groups
Viral Clusters of Ortholog Groups
Groups of Ortholog proteinsCalculated on Protein alignmentsBased on newest RefSeq Virus GenomesIncludes all annotated viral species
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Virus Ortholog Groups
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Viral Ortholog Proteins (mRNA) MPI vs SCI
MPI
SC
I
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Virus Ortholog Groups
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SCI
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0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
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Viral Ortholog Proteins (mRNA) MPI
MPI
Cou
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20 40 60 80 1000
1000
2000
3000
4000
5000
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Viral Ortholog ProteinsConserved sub-alignments
10 20 30 40
- - - - - - - - A TGGG T A A TG T TGC A AC TC T T A T A A AC A AGGC T A T T- - - - - - - - A TGGG T AG T T A TGC T AG T A T T T TC T A TC A TGC T T TG- - - - - - - - A TGGG T AG T T A TGC T AG T A T T T T T T A TC AC GC AC T A- - - - - - - - A TGGG A TC AG TG TGG AG T A T AG TG AG TC AGGC TG T A- - - - - - - - A TGGG T AG TG TG TGG TC TC AC A TC TC G AC C GC C T TC- - - - - - - - A TGGG T AGC A T A TC A TC C C AC A T TG TC AC TGC C T TC- - - - - - - - A TGGG T AGC C T T TGG TC C A AG A T TGGC C AGC TC T T TTGGGG TC C A TGC A A AGC C T T T T TG AC A A A A T TGGC C A AC T T T T T- - - - - - - - A TGGG T TC T A T AC TC AC C C AC A TC AC T AC AGC C T TC
10 20 30 40
- - - - - - - - - A TGGG T A A TG T TGC A AC TC T T A T A A AC A AGGC T A T T- - - - - - - - - A TGGG T AG T T A TGC T AG T A T T T TC T A TC A TGC T T TG- - - - - - - - - A TGGG T AG T T A TGC T AG T A T T T T T T A TC AC GC AC T A- - - - - - - - - A TGGG A TC AG TG TGG AG T A T AG TG AG TC AGGC TG T A- - - - - - - - - A TGGG T AG TG TG TGG TC TC AC A TC TC G AC C GC C T TC- - - - - - - - - A TGGG T AGC A T A TC A TC C C AC A T TG TC AC TGC C T TC
- - - - - - - - - A TGGG T AGC C T T TGG TC C A AG A T TGGC C AGC TC T T TA TGGGG TC C A TGC A A AGC C T T T T TG AC A A A A T TGGC C A AC T T T T T- - - - - - - - - A TGGG T TC T A T AC TC AC C C AC A TC AC T AC AGC C T TC
SCI = 0.0
SCI = 0.9
SCI = 0.1
No overall consensus structure but. . .Strong structure conservation in subparts of the alignment!
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Viruses and structured RNAsMore than UTRs. . .
The ProblemViruses are a highly diverse group of organismsJust a fraction is investigated for ncRNAsUTRs get the most attention
AimsScreen all viruses for structured RNAsTake a close look at CDS regions
MethodsRNAzR-scape
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
DatasetIsolation Pipeline
1 Fetch Species from NCBItaxonomy database
2 Fetch Refseq Sequences
3 Fetch genomes from NCBINucleotide Database
4 Align with clustal Omega
5 Multiple consistencychecks in-between
Name #SpeciesNCBI Tax DB 18939Refseq DB 8299Consistent Species 1580
Type #SpeciesdsDNA 422ssDNA 276dsRNA 142ssRNA 600
RT 81Satellites 32
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Results
Significant Hit size
Locus Length
Cou
nts
0 200 400 600 800 1000 1200
050
0010
000
1500
020
000
2500
0
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Results
0 50000 100000 150000 200000
010
020
030
040
050
0
Virus Genome Length
#No
of R
NAz
Hits
#RNAz hits vs. Genome Length
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Results
#Hits w/ Cov (G) w/ Cov (RAF)Total Hits 73564 4216 43554
CDS 69941 4806 41579UTR 3664 410 1975
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Summary & Outlook
SummaryStructured Elements are widespread in VirusesLots of Covariation in most elements!CDS and UTRs are equally affected
OutlookCheck again with structure-based alignmentsBuild covariance models for all significant lociSearch for βstructural orthologsβ
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses
Acknowledgements
Thanks to. . .
Ivo HofackerMichael Kiening (LMU Munich)Dimitrji Frishman (LMU Munich)Hans-JΓΆrg Hellinger (Uni Wien)Thomas Rattei (Uni Wien)
. . . and you!
Roman Ochsenreiter (RNA-)Structuredness in Viruses