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구제역바이러스의 FMDV 2C 단백질은 소포체 스트레스를 통해서 염증 유도 사이토카인 TNFα의 발현을 증가시킴
강효린(Hyo Rin Kang),성미소(Mi So Seong),나진주(Jin Ju Nah),류소연(Soyoon Ryoo),구복경(Bok Kyung Ku),정재훈(JaeHun Cheong) 한국생명과학회 2020 생명과학회지 Vol.30 No.3
구제역바이러스(FMDV)는 Picornaviridae 과의 Aphthovirus 속의 한 종류이며, 야생과 가축의 소와 돼지에 감염한다. FMDV는 감염 조직에서 중증의 염증반응을 포함한 다양한 임상적 증후들을 일으킨다. FMDV 게놈 RNA는 약 8.3 kb 길이의 양성-단일 가닥을 가지고 있으며, 하나의 긴 단백질 번역틀(ORF)을 만든다. 이 ORF는 바이러스의 단백질가수분해효소에 의해서 구조단백질과 비구조단백질로 나누어진다. FMDV의 FMDV 2C 단백질은 FMDV 유전자에서 만들어지는 비구조단백질로서 염증과 세포사를 포함한 FMD 병리 과정과 바이러스 복제에서 중요한 역할을 한다. 이 연구에서 우리는 FMDV 2C가 염증 유도 사이토카인인 tumor necrosis factor alpha (TNFα)의 세포내 발현을 유도하는 가능성을 검토하였다. FMDV 2C의 돼지 세포인 IBRS-2 세포내 발현은 TNFα의 유전자 발현 조절 부위인 프로모터의 활성화를 이용하여 전사수준에서 TNFα의 mRNA와 단백질 생성을 증가시켰다. 추가적으로, 소포체 스트레스를 감소시키는 화학물질인 4-phenylbutyric acid (4-PBA) 처리는 FMDV 2C에 의해 유도된 TNFα 발현을 감소시켰다. 소포체 스트레스 반응을 매개하는 전사인자의 한 종류인 ATF4는 TNFα 프로모터의 활성을 유도하고, TNFα의 mRNA와 단백질 발현을 증가시켰다. 하지만, ATF4의 기능 결핍 돌연변이체 단백질의 발현은 FMDV 2C에 의한 TNFα 생성을 유도하지 못하였다. 이들 결과들은 FMDV FMDV 2C 단백질이 ATF4-매개 TNFα 발현을 통해 임상적 염증반응을 증가시키고, 이는 소포체 스트레스의 유도와 연관되어있음을 제시한다. Foot-and-mouth disease virus (FMDV), a member of the genus Aphthovirus in the Picornaviridae family, affects wild and domesticated ruminants and pigs. FMDV causes various clinical symptoms, including severe inflammation in infected tissue. Genome RNA of FMDV shows a positive single-strand chain approximately 8.3 kb long and encodes a single long open reading frame (ORF). The ORF is translated into structural and non-structural proteins by viral proteases. The FMDV 2C protein is one of the non-structural proteins encoded by FMDV and plays a critical role in FMD pathogenesis, including inflammation, apoptosis, and viral replication. In this study, we examined whether FMDV 2C induces intracellular expression of pro-inflammatory cytokine tumor necrosis factor alpha (TNFα). FMDV 2C expression in pig IBRS-2 cells increased mRNA and protein expression of TNFα at the transcriptional level via activation of TNFα promoter. Treatment with 4-phenylbutyric acid, an endoplasmic reticulum (ER) stress reducer, decreased TNFα expression induced by FMDV 2C. Activating transcription factor 4 (ATF4), a transcription factor mediating ER stress response, induced transactivation of TNFα promoter and expression of mRNA and protein of TNFα. However, the dominant negative mutant of ATF4 did not induce FMDV 2C–mediated TNFα expression. The results indicate that FMDV 2C protein increases clinical inflammation via ATF4-mediated TNFα expression and is associated with ER stress induction.
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Hyo Rin Kang(강효린),Mi So Seong(성미소),Bok Kyung Ku(구복경),JaeHun Cheong(정재훈) 한국생명과학회 2020 생명과학회지 Vol.30 No.11
구제역바이러스(FMDV)는 피코나바이러스 과에 속하는 바이러스로서 야생과 가축화된 소와 돼지에 감염된다. FMDV는 제어되기 어려워서 가축의 생산과 국제통상에 큰 장애가 되고 있다. FMDV RNA 게놈의 복제 과정에서 3D 중합효소가 특이적인 복제 기능을 담당하는데 게놈에 결합하는 부위가 매우 중요하다. 이 사실은 FMDV 게놈의 비코딩영역 내에서 3D 중합효소에 의해 인지되는 특이 RNA 구조가 관여함을 제시한다. 이 과정에서 cis-acting replication element (CRE)는 RNA 복제를 위한 개시에 필요하다. FMDV CRE는 15-17 뉴클레오티드의 고리와 이를 지지하는 이중가닥으로 형성된 줄기-고리 모양을 가지며 이들을 구성하는 RNA 뉴클레오티드 서열의 차이가 다른 RNA 이차구조를 생성한다. CRE 이외에 FMDV 복제를 위해서 많은 바이러스와 세포 인자들이 단백질-단백질 결합과 단백질-RNA 결합을 통해 협조적인 네트워크를 만들어낸다. 이 연구에서 국내에서 2010년부터 2017년 까지 구제역이 발생한 소와 돼지에서 FMDV를 분리하여 CRE 서열을 분석하였으며 이들 FMDV들은 A형과 O형의 유전자형을 가졌다. 흥미롭게 국내 FMDV들의 CRE RNA 이차구조의 변이들은 바이러스 간의 계통유전학적 상관관련성과 일치하며 특정 숙주 동물종의 FMDV 감염의 특이성을 밝혀주었다. 이를 토대로 국내 FMDV의 각 유전군의 분류는 독특한 기능적 CRE에 의해 특징지을 수 있으며 새로운 유전적 계통의 진화학적 연속성은 특징있는 CRE 모티프의 구분과 연관지을 수 있다. 그러므로 CRE의 특이적 RNA 구조는 숙주 동물종 의존적인 FMDV 부류의 부가적인 단서로 활용할 수 있음을 제안한다. 이들 연구 결과들은 향후 FMDV 대량감염이 발생할때 숙주동물종의 특이성을 CRE 서열로 조기에 정확히 분석하는데 도움이 될 것이다. The foot-and-mouth disease virus (FMDV), a member of the Aphthovirus genus in the Picornaviridae family, affects wild and domesticated ruminants and pigs. During replication of the FMDV RNA (ribonucleic acid) genome, FMDV-encoding RNA polymerase 3D acts in a highly location-specific manner. This suggests that specific RNA structures recognized by 3D polymerase within non-coding regions of the FMDV genome assist with binding during replication. One such region is the cis-acting replication element (CRE), which functions as a template for RNA replication. The FMDV CRE adopts a stem-loop conformation with an extended duplex stem, supporting a novel 15-17 nucleotide loop that derives stability from base-stacking interactions, with the exact RNA nucleotide sequence of the CRE producing different RNA secondary structures. Here, we show that CRE sequences of FMDVs isolated in Korea from 2010 to 2017 exhibit A and O genotypes. Interestingly, variations in the RNA secondary structure of the Korean FMDVs are consistent with the phylogenetic relationships between these viruses and reveal the specificity of FMDV infections for particular host species. Therefore, we conclude that each genetic clade of Korean FMDV is characterized by a unique functional CRE and that the evolutionary success of new genetic lineages may be associated with the invention of a novel CRE motif. Therefore, we propose that the specific RNA structure of a CRE is an additional criterion for FMDV classification dependent on the host species. These findings will help correctly analyze CRE sequences and indicate the specificity of host species for future FMDV epidemics.
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