Паттерны аминокислотных замен в белках E6 и E7 вируса папилломы человека 16 типа: филогеография и эволюция

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Белки E6 и E7 вируса папилломы человека (ВПЧ) играют ключевую роль в онкогенезе папилломавирусной инфекции. Данные по изменчивости этих онкобелков ограничены, а факторы, влияющие на их изменчивость, малоизучены. Нами проанализирована вариабельность известных к настоящему времени последовательностей белков E6 и E7 ВПЧ типа 16 (ВПЧ16) с учетом их географического происхождения и года cбора образцов, а также направления их эволюции в основных географических регионах мира. Из базы данных GenBank NCBI 6 октября 2022 года были выгружены все последовательности, относящиеся к фрагментам генома ВПЧ16, кодирующим онкобелки E6 и E7. Образцы отфильтровали по следующим параметрам: последовательность включает хотя бы одну из двух интересующих рамок считывания целиком, известны дата сбора и страна происхождения. Всего отобрали 3 651 полногеномную нуклеотидную последовательность, кодирующую белок E6, и 4 578 полногеномных нуклеотидных последовательностей, кодирующих белок E7. Полученные после выборки и выравнивания нуклеотидные последовательности переводили в аминокислотные и анализировали с применением программ MEGA11, R, RStudio, Jmodeltest 2.1.20, BEAST v1.10.4, Fastcov и Biostrings. Наибольшая изменчивость первичной структуры белка E6 зарегистрирована в позициях 17, 21, 32, 85 и 90 а. о., а для E7 ‒ в позициях 28, 29, 51 и 77 а. о. Выборка разделилась по географическому признаку на 5 гетерогенных групп: африканскую, европейскую, американскую, регион Юго-Западной и Южной Азии и регион Юго-Восточной Азии. Для ряда стран были выявлены уникальные аминокислотные замены (АК-замены) в белках E6/E7 ВПЧ16, предположительно, характерные для отдельных этнических групп. В основном они локализуются в сайтах известных В- и Т-клеточных эпитопов и относительно редко в структурно-функциональных доменах. Выявленные различия в АК-заменах у различных этнических групп и их колокализация с кластерами B- и T-клеточных эпитопов позволяют предположить их возможную взаимосвязь с географическим распределением аллелей и гаплотипов главного комплекса гистосовместимости (HLA). Это может приводить к распознаванию различного набора В- и Т-клеточных эпитопов вируса, что обусловливает региональные различия в направлении эпитопного дрейфа. В результате филогенетического анализа нуклеотидных последовательностей, кодирующих белок E6 ВПЧ16, выявлен общий предок, подтверждена региональная кластеризация последовательностей гена белка E6 по набору наиболее распространенных АК-замен, а также обнаружены случаи реверсии отдельных АК-замен при изменении региона распространения вируса. Для белка E7 аналогичный анализ был невозможен из-за высокой гомологии последовательностей. Ковариационный анализ совокупной выборки выявил отсутствие взаимосвязи между аминокислотными остатками в белке E6, в белке E7, а также между E6 и E7. Полученные в работе данные важны для разработки терапевтических вакцин против ВПЧ высокого канцерогенного риска.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. Е. Зеленова

Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта Российской академии наук; Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н. Н. Блохина

Автор, ответственный за переписку.
Email: zelenovayeye@gmail.com
Россия, Москва, 119991; Москва, 115478

А. А. Карлсен

Российский университет дружбы народов; Институт вакцин и сывороток им. И. И. Мечникова

Email: zelenovayeye@gmail.com
Россия, Москва, 117198; Москва, 105064

Д. В. Авдошина

Федеральный научный центр исследований и разработки иммунобиологических препаратов им. М. П. Чумакова Российской академии наук

Email: zelenovayeye@gmail.com
Россия, Москва, 117218

К. К. Кюрегян

Российский университет дружбы народов; Институт вакцин и сывороток им. И. И. Мечникова

Email: zelenovayeye@gmail.com
Россия, Москва, 117198; Москва, 105064

М. Г. Беликова

Российский университет дружбы народов; Федеральный научный центр исследований и разработки иммунобиологических препаратов им. М. П. Чумакова Российской академии наук; Научный центр эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: zelenovayeye@gmail.com
Россия, Москва, 117198; Москва, 117218; Москва, 123098

Список литературы

  1. Тихомиров А.Л., Сарсания С.И., Филатова Г.А. (2018) Вирус папилломы человека: от понимания иммунопатогенеза к рациональной тактике ведения. Гинекология. 3, 5–11. doi: 10.26442/2079-5696-2018.3.5-11
  2. Волгарева Г.М. (2020) Папилломавирусный канцерогенез. Основные достижения и некоторые проблемы Часть 1. Общие представления о папилломавирусах. Формы рака, ассоциированные с вирусами папилломы человека. Российский биотерапевтический журнал. 19(1), 6–12. doi: 10.17650/1726-9784-2019-19-1-6-12
  3. Huibregtse J.M., Scheffner M., Howley P.M. (1991) A cellular protein mediates association of p53 with the E6 oncoprotein of human papillomavirus types 16 or 18. EMBO J. 10(13), 4129‒4135. doi: 10.1002/j.1460-2075.1991.tb04990.x
  4. Hebner C., Beglin M., Laimins L.A. (2007) Human papillomavirus E6 proteins mediate resistance to interferon-induced growth arrest through inhibition of p53 acetylation. J. Virol. 81(23), 12740‒12747. doi: 10.1128/JVI.00987-07
  5. Um S.J., Rhyu J.W., Kim E.J., Jeon K.C., Hwang E.S., Park J.S. (2002) Abrogation of IRF-1 response by high-risk HPV E7 protein in vivo. Cancer Lett. 179(2), 205‒212. doi: 10.1016/s0304-3835(01)00871-0.
  6. Курмышкина О.В., Волкова Т.О., Ковчур П.И., Бахлаев И.Е., Немова Н.Н. (2011) Гены раннего ответа в патогенезе рака шейки матки: обзор. Опухоли женской репродуктивной системы. 1, 96–105. doi: 10.17650/1994-4098-2011-0-1-96-105
  7. Duensing A., Spardy N., Chatterjee P., Zheng L., Parry J., Cuevas R., Korzeniewski N., Duensing S. (2009) Centrosome overduplication, chromosomal instability, and human papillomavirus oncoproteins. Environ. Mol. Mutagen. 50(8), 741–747. doi: 10.1002/em.20478
  8. Ai W., Wu C., Jia L., Xiao X., Xu X., Ren M., Xue T., Zhou X., Wang Y., Gao C. (2022) Deep sequencing of HPV16 E6 region reveals unique mutation pattern of HPV16 and predicts cervical cancer. Microbiol. Spectr. 10(4), e0140122. doi: 10.1128/spectrum.01401-22
  9. Escobar-Escamilla N., González-Martínez B.E., Araiza-Rodríguez A., Fragoso-Fonseca D.E., Pedroza-Torres A., Landa-Flores M.G., Garcés-Ayala F., Mendieta-Condado E., Díaz-Quiñonez J.A., Castro-Escarpulli G., Ramírez-González J.E. (2019) Mutational landscape and intra-host diversity of human papillomavirus type 16 long control region and E6 variants in cervical samples. Arch. Virol. 164(12), 2953‒2961. doi: 10.1007/s00705-019-04407-6
  10. Mesplède T., Gagnon D., Bergeron-Labrecque F., Azar I., Sénéchal H., Coutlée F., Archambault J. (2012) p53 degradation activity, expression, and subcellular localization of E6 proteins from 29 human papillomavirus genotypes. J. Virol. 86(1), 94‒107. doi: 10.1128/JVI.00751-11
  11. Бестаева Н.В., Назарова Н.М., Прилепская В.Н., Трофимов Д.Ю., Бурменская О.В., Суламанидзе Л.А. (2013) Папилломавирусная инфекция: новые взгляды на диагностику и лечение (обзор литературы). Гинекология. 3, 4–7. https://gynecology.orscience.ru/2079-5831/article/view/28190
  12. Burk R.D., Harari A., Chen Z. (2013) Human papillomavirus genome variants. Virology. 445(1‒2), 232‒243. doi: 10.1016/j.virol.2013.07.018
  13. Pimenoff V.N., de Oliveira C.M., Bravo I.G. (2017) Transmission between archaic and modern human ancestors during the evolution of the oncogenic human papillomavirus 16. Mol. Biol. Evol. 34(1), 4‒19. doi: 10.1093/molbev/msw214
  14. Kirnbauer R., Hubbert N.L., Wheeler C.M., Becker T.M., Lowy D.R., Schiller J.T. (1994) A virus-like particle enzyme-linked immunosorbent assay detects serum antibodies in a majority of women infected with human papillomavirus type 16. J. Natl. Cancer Inst. 86(7), 494–499. doi: 10.1093/jnci/86.7.494
  15. Shally M., Alloul N., Jackman A., Muller M., Gissmann L., Sherman L. (1996) The E6 variant proteins E6I‒E6IV of human papillomavirus 16: expression in cell free systems and bacteria and study of their interaction with p53. Virus Res. 42(1‒2), 81–96. doi: 10.1016/0168-1702(96)01301-9
  16. Zhao J., Zhu J., Guo J., Zhu T., Zhong J., Liu M., Ruan Y., Liao S., Li F. (2020) Genetic variability and functional implication of HPV16 from cervical intraepithelial neoplasia in Shanghai women. J. Med. Virol. 92(3), 372‒381. doi: 10.1002/jmv.25618
  17. Ortiz-Ortiz J., Alarcón-Romero L.D.C., Jiménez-López M.A., Garzón-Barrientos V.H., Calleja-Macías I., Barrera-Saldaña H.A., Leyva-Vázquez M.A., Illades-Aguiar B. (2015) Association of human papillomavirus 16 E6 variants with cervical carcinoma and precursor lesions in women from Southern Mexico. Virol. J. 12, 29. doi: 10.1186/s12985-015-0242-3
  18. Ramas V., Mirazo S., Bonilla S., Ruchansky D., Arbiza J. (2018) Analysis of human papillomavirus 16 E6, E7 genes and long control region in cervical samples from Uruguayan women. Gene. 654, 103‒109. doi: 10.1016/j.gene.2018.02.023
  19. Szostek S., Zawilinska B., Klimek M., Kosz-Vnenchak M. (2017) HPV16 E6 polymorphism and physical state of viral genome in relation to the risk of cervical cancer in women from the south of Poland. Acta Biochim. Pol. 64(1), 143–149. doi: 10.18388/abp.2016_1364
  20. Tsakogiannis D., Papadopoulou A., Kontostathi G., Ruether I.G.A., Kyriakopoulou Z., Dimitriou T.G., Orfanoudakis G., Markoulatos P. (2013) Molecular and evolutionary analysis of HPV16 E6 and E7 genes in Greek women. J. Med. Microbiol. 62, 1688‒1696. doi: 10.1099/jmm.0.055491-0
  21. He H., Li H., Fan P., Zhu J., Pan Z., Pan H., Wu D., Ren X., Guo X., Li D., Pan Z., Shao R. (2016) Variants of human papillomaviruses 16 (HPV16) in Uigur women in Xinjiang, China. Infect. Agent. Cancer. 11, 44. doi: 10.1186/s13027-016-0089-2
  22. Pan Z., Xu S. (2020) Population genomics of East Asian ethnic groups. Hereditas. 157(1), 49. doi: 10.1186/s41065-020-00162-w
  23. Hudson M.J., Nakagome S., Whitman J.B. (2020) The evolving Japanese: the dual structure hypothesis at 30. Evol. Hum. Sci. 2, e6.
  24. doi: 10.1017/ehs.2020.6
  25. van der Weele P., Meijer C.J.L.M., King A.J. (2017) Whole-genome sequencing and variant analysis of human papillomavirus 16 infections. J. Virol. 91(19), е00844-17. doi: 10.1128/JVI.00844-17
  26. He J., Li Q., Ma S., Li T., Chen Y., Liu Y., Cui Y., Peng J., Shi Y., Wei X., Ding X. (2022) The polymorphism analysis and epitope predicted of Alphapapillomavirus 9 E6 in Sichuan, China. Virol. J. 19, 14. https:.doi.org/10.1186/s12985-021-01728-4
  27. Tomaić V. (2016) Functional roles of E6 and E7 oncoproteins in HPV-induced malignancies at diverse anatomical sites. Cancers (Basel). 8, 95. doi.org/10.3390/cancers8100095
  28. Brauburger K, Hume AJ, Mühlberger E, Olejnik J. (2012) Forty-five years of Marburg virus research. Viruses. 4(10), 1878–927. doi: 10.3390/v4101878
  29. Kyuregyan K.K., Kichatova V.S., Karlsen A.A., Isaeva O.V., Solonin S.A., Petkov S., Nielsen M., Isaguliants M.G., Mikhailov M.I. (2020) Factors influencing the prevalence of resistance-associated substitutions in NS5A protein in treatment-naive patients with chronic hepatitis C. Biomedicines. 8(4), 80. doi: 10.3390/biomedicines8040080
  30. Mehta A.M., Mooij M., Branković I., Ouburg S., Morré S.A., Jordanova E.S. (2017) Cervical carcinogenesis and immune response gene polymorphisms: a review. J. Immun. Res. 2017, 8913860. doi: 10.1155/2017/8913860
  31. Pandey N.O., Chauhan A.V., Raithatha N.S., Patel P.K., Khandelwal R., Desai A.N., Choxi Y., Kapadia R.S., Jain N.D. (2019) Association of TLR4 and TLR9 polymorphisms and haplotypes with cervical cancer susceptibility. Sci. Rep. 9(1), 9729. doi: 10.1038/s41598-019-46077-z
  32. Tan S.C., Ismail M.P., Duski D.R., Othman N.H., Ankathil R. (2017) FAS c.-671A>G polymorphism and cervical cancer risk: a case-control study and meta-analysis. Cancer Genet. 211, 18–25. doi: 10.1016/j.cancergen.2017.01.004
  33. Rader J.S., Tsaih S.W., Fullin D., Murray M.W., Iden M., Zimmermann M.T., Flister M.J. (2019) Genetic variations in human papillomavirus and cervical cancer outcomes. Int. J. Cancer. 144(9), 2206–2214. doi: 10.1002/ijc.32038
  34. Ellis J.R., Keating P.J., Baird J., Hounsell E.F., Renouf D.V., Rowe M., Hopkins D., Duggan-Keen M.F., Bartholomew J.S., Young L.S., Stern P.L. (1995) The association of an HPV16 oncogene variant with HLA-B7 has implications for vaccine design in cervical cancer. Nat. Med. 1(5), 464–470. doi: 10.1038/nm0595-464
  35. Duvvuri V.R., Duvvuri B., Cuff W.R., Wu G.E., Wu J. (2009) Role of positive selection pressure on the evolution of H5N1 hemagglutinin. Genomics Proteomics Bioinformatics. 7(1‒2), 47–56. doi: 10.1016/S1672-0229(08)60032-7
  36. Stern A., Andino R. (2016) Viral evolution: it is all about mutations. In: Viral Pathogenesis (3rd edition). Eds Katze M.G., Lynn Law G., Korth M.J., Nathanson N. Elsevier, pp. 233–240. doi: 10.1016/B978-0-12-800964-2.00017-3
  37. Kumar A., Hussain S., Yadav I.S., Gissmann L., Natarajan K., Das B.C., Bharadwaj M. (2015) Identification of human papillomavirus-16 E6 variation in cervical cancer and their impact on T and B cell epitopes. J. Virol. Methods. 218, 51–58. doi: 10.1016/j.jviromet.2015.03.008
  38. Kichatova V.S., Kyuregyan K.K., Soboleva N.V., Karlsen A.A., Isaeva O.V., Isaguliants M.G., Mikhailov M.I. (2018) Frequency of interferon-resistance conferring substitutions in amino acid positions 70 and 91 of core protein of the Russian HCV 1b isolates analyzed in the T-cell epitopic context. J. Immunol. Res. 7, 7685371. doi: 10.1155/2018/7685371
  39. Avila-Rios S., Carlson J.M., John M., Mallal S., Brumme Z.L. (2019) Clinical and evolutionary consequences of HIV adaptation to HLA: implications for vaccine and cure. Curr. Opin. HIV AIDS. 14(3), 194–204. doi: 10.1097/COH.0000000000000541
  40. Lumley S.F., McNaughton A.L., Klenerman P., Lythgoe K.A., Matthews P.C. (2018) Hepatitis B virus adaptation to the CD8+ T cell response: consequences for host and pathogen. Front. Immunol. 9, 1561. doi: 10.3389/fimmu.2018.01561

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Приложение Таблица S1
Скачать (413KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Распределение отобранных образцов последовательностей генов белков E6 и E7 ВПЧ16 по географическим регионам: Европе (серая рамка), Африке (оранжевая рамка), Америке (фиолетовая рамка), Юго-Восточной Азии (зеленая рамка), Южной и Юго-Западной Азии (красная рамка). N ‒ число последовательностей E6 и E7, депонированных в базе GenBank, с указанием представительства отдельных стран в каждом из регионов.

Скачать (328KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Изменчивость онкобелков E6 и E7 ВПЧ16. Аминокислотные замены, встречающиеся в >1% последовательностей E6 (а) и E7 (б); распределение образцов по числу АК-замен в обогащенных выборках белка E6 (284 образца из 356 последовательностей) (в) и белка E7 (92 образца из 132 последовательностей) (г). Обогащенные выборки исключали последовательности, идентичность которых превышала 99.8%. Цветовое обозначение числа АК-замен общее для панелей (в) и (г).

Скачать (285KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Тепловые карты встречаемости АК-замен в пяти основных географических регионах мира. Карта распределения частот встречаемости: паттерн АК-замен в белках E6 и E7, цветовая шкала справа отражают частоту встречаемости замены для региона; обведены ячейки с частотой встречаемости >20% (а). Карта значимости АК-замены в белках E6 и E7 для региона при попарном сравнении с частотой встречаемости данной замены в общей популяции. Цветовая шкала справа отражает величину значимости, р. Сравнение проводили с использованием критерия Фишер (б). Тепловые карты сделаны с помощью языка R с визуализацией через Rstudio. Отметка “x” означает отсутствие АК-замены в регионе, поэтому сравнение не проводили.

Скачать (273KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Распределение АK-замен, встречающихся в >10% последовательностей выборок по пяти географическим регионам, включая АК-замены в отдельных странах. Фиолетовый блок – США, страны Центральной и Южной Америки; синий блок – страны Европы; оранжевый блок – страны Африки; красный блок – страны Юго-Западной и Южной Азии; зеленый блок – страны Юго-Восточной Азии.

Скачать (372KB)
Метаданные
7. Рис. 5. Ковариационный анализ АК-замен белка E6 для образцов американского региона (АМ). Анализ проведен с использованием второго биоинформатического метода с применением пакета Biostrings с калькулятором MI (http://www.yanlilab.github.io/fastcov). В окружностях указаны позиции аминокислотных остатков, линии между ними – сцепление двух АК-замен, вероятность сцепления между которыми p < 0.05 (MI).

Скачать (32KB)
Метаданные
8. Рис. 6. Филогенетическое дерево с использованием байесовского подхода с временнóй шкалой для последовательностей гена E6, длина фрагмента – 477 п. н. (координаты по эталонному образцу NC_001526.4:7125–7601). Для каждой последовательности указан номер в базе данных GenBank, страна и год выделения. В узлах дерева приведены аминокислотные остатки, предсказанные для гипотетического предка каждой филогруппы. Обозначения: EU – страны Европы, AF – страны Африки, AM – страны Америки, AS1 – страны Юго-Западной и Южной Азии, AS2 – страны Юго-Восточной Азии.

Скачать (871KB)
Метаданные
9. Рис. 6. Продолжение.

Скачать (1MB)
Метаданные
10. Рис. 6. Продолжение.

Скачать (1MB)
Метаданные
11. Рис. 6. Продолжение.

Скачать (1MB)
Метаданные
12. Рис. 6. Окончание.

Скачать (1MB)
Метаданные
13. Рис. 7. Фрагменты эпитопной карты онкобелка E6. Представлены фрагменты 17‒32 (а), 65‒90 (б), 119‒123 (в) аминокислотной последовательности. Выборка включала последовательности, идентичность которых превышала 99.8%. Желтым цветом обозначены идентификационные номера (ID) эпитопов в базе данных IEDB (http://www.tools.iedb.org), светло-желтым – последовательность картированного эпитопа, цифры внутри блока – позиции первых и последних аминокислотных остатков. В рамке внизу каждого блока указаны частоты встречаемости АК-замен в вариабельной позиции белка E6 в составе эпитопного кластера. Цифры внизу ‒ суммарное число эпитопов, затрагиваемых АК-заменами в указанных позициях.

Скачать (385KB)
Метаданные
14. Рис. 8. Эпитопная карта онкобелка E7. Представлены фрагменты 28‒51 (а) и 52‒99 (б) аминокислотной последовательности. Выборка включала последовательности, идентичность которых превышала 99.8%. Желтым цветом обозначены идентификационные номера (ID) эпитопов в базе данных IEDB, светло-желтым – последовательность картированного эпитопа, цифры внутри блока – позиции первых и последних аминокислотных остатков. В рамке внизу каждого блока указаны частоты встречаемости АК-замен в вариабельной позиции белка E7 в составе эпитопного кластера. Цифры внизу ‒ суммарное число эпитопов, затрагиваемых АК-заменами в указанных позициях.

Скачать (314KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024