Abstract Members of the human Zyxin family are LIM domain-containing proteins that perform critical cellular functions and are indispensable for cellular integrity. Despite their importance, not much is known about their structure, functions, interactions and dynamics. To provide insights into these, we used a set of in-silico tools and databases and analyzed their amino acid sequence, phylogeny, post-translational modifications, structure-dynamics, molecular interactions, and functions. Our analysis revealed that zyxin members are ohnologs. Presence of a conserved nuclear export signal composed of LxxLxL/LxxxLxL consensus sequence, as well as a possible nuclear localization signal, suggesting that Zyxin family members may have nuclear and cytoplasmic roles. The molecular modeling and structural analysis indicated that Zyxin family LIM domains share similarities with transcriptional regulators and have positively charged electrostatic patches, which may indicate that they have previously unanticipated nucleic acid binding properties. Intrinsic dynamics analysis of Lim domains suggest that only Lim1 has similar internal dynamics properties, unlike Lim2/3. Furthermore, we analyzed protein expression and mutational frequency in various malignancies, as well as mapped protein-protein interaction networks they are involved in. Overall, our comprehensive bioinformatic analysis suggests that these proteins may play important roles in mediating protein-protein and protein-nucleic acid interactions.

Abstract Inorganic pyrophosphatase (iPPase) is an enzyme that cleaves pyrophosphate into two phosphate molecules. This enzyme is an essential component of in vitro transcription (IVT) reactions for RNA preparation as it prevents pyrophosphate from precipitating with magnesium, ultimately increasing the rate of the IVT reaction. Large-scale RNA production is often required for biochemical and biophysical characterization studies of RNA, therefore requiring large amounts of IVT reagents. Commercially purchased iPPase is often the most expensive component of any IVT reaction. In this paper, we demonstrate that iPPase can be produced in large quantities and of high quality using a reasonably generic laboratory facility and that laboratory-purified iPPase is as effective as commercially available iPPase. Furthermore, using size-exclusion chromatography coupled with multi-angle light scattering and dynamic light scattering (SEC-MALS-DLS), analytical ultracentrifugation (AUC), and small-angle X-ray scattering (SAXS), we demonstrate that yeast iPPase can form tetramers and hexamers in solution as well as the enzymatically active dimer. Our work provides a robust protocol for labs involved with RNA in vitro transcription to efficiently produce active iPPase, significantly reducing the financial strain of large-scale RNA production. Statement of Significance We show an easy two-step purification procedure to efficiently produce large quantities of iPPase, an expensive component of IVT reactions. Laboratory-produced iPPase can significantly reduce the financial strain on research labs that rely on large-scale RNA production for experiments. Furthermore, we show for the first time, using a combination of orthogonal biophysical techniques, that yeast iPPase assembles into higher-order oligomers similar to bacterial iPPase.

Abstract Numerous viruses utilize essential long-range RNA-RNA genome interactions, specifically flaviviruses. Using Japanese encephalitis virus (JEV) as a model system, we computationally predicted and then biophysically validated and characterized its long-range RNA-RNA genomic interaction. Using multiple RNA computation assessment programs, we determine the primary RNA-RNA interacting site among JEV isolates and numerous related viruses. Following in vitro transcription of RNA, we provide, for the first time, characterization of an RNA-RNA interaction using multi-angle light scattering (SEC-MALS) and analytical ultra-centrifugation (AUC). Next, we report the first RNA-RNA interaction study quantified by microscale thermophoresis (MST), demonstrating that the 5’ and 3’ TR of JEV interact with nM affinity, which is significantly reduced when the conserved cyclization sequence is not present. Furthermore, we perform computational kinetic analyses validating the cyclization sequence as the primary driver of this RNA-RNA interaction. Finally, we examined the 3-dimensional structure of the interaction using small-angle X-ray scattering, revealing a flexible yet stable interaction. This pathway can be adapted and utilized to study various viral and human long-non-coding RNA-RNA interactions, and determine their binding affinities, a critical pharmacological property of designing potential therapeutics. Graphical Abstract

ABSTRACT Worldwide, ∼250 million people are chronically infected with the hepatitis B virus (HBV) and are at increased risk of cirrhosis and hepatocellular carcinoma. The HBV persists as covalently closed circular DNA (cccDNA), which acts as the template for all HBV mRNA transcripts. Nucleos(t)ide analogs do not directly target the HBV cccDNA and cannot eradicate the HBV. We have discovered a unique structural motif, a G-quadruplex in HBV’s pre-core promoter region that is conserved amongst nearly all genotypes, and is central to critical steps in the viral life-cycle including the production of pre-genomic RNA, core and polymerase proteins, and encapsidation. Thus, an increased understanding of the HBV pre-core may lead to the development of novel anti-HBV cccDNA targets. We utilized biophysical methods to characterize the presence of the G-quadruplex, employed assays using a known quadruplex- binding protein (DHX36) to pull-down HBV cccDNA, and compared HBV infection in HepG2 cells transfected with wild-type and mutant HBV plasmids. This study provides insights into the presence of a G-quadruplex in the HBV pre-core promoter region essential for HBV replication. The evaluation of this critical host-protein interaction site in the HBV cccDNA may ultimately facilitate the development of novel anti-HBV therapeutics against the resilient cccDNA template.

ABSTRACT Streptococcus pyogenes , or Group A Streptococcus, is a Gram-positive bacterium that can be both a human commensal and pathogen. Central to this dichotomy are temperate bacteriophages that incorporate into the bacterial genome as a prophage. These genetic elements encode both the phage proteins as well as toxins harmful to the human host. One such conserved phage protein paratox (Prx) is always found encoded adjacent to the toxin genes and this linkage is preserved during transduction. Within Streptococcus pyogenes, Prx functions to inhibit the quorum-sensing ComRS receptor-signal pair that is the master regulator of natural competence, or the ability to uptake endogenous DNA. Specifically, Prx directly binds and inhibits the receptor ComR by unknown mechanism. To understand how Prx inhibits ComR at the molecular level we pursued an X-ray crystal structure of Prx bound to ComR. The structural data supported by solution X-ray scattering data demonstrate that Prx induces a conformational change in ComR to directly access the DNA binding domain. Furthermore, electromobility shift assays and competition binding assays reveal that Prx effectively uncouples the inter-domain conformational change that is required for activation of ComR by the signaling molecule XIP. Although to our knowledge the molecular mechanism of quorum-sensing inhibition by Prx is unique, it is analogous to the mechanism employed by the phage protein Aqs1 in Pseudomonas aeruginosa. Together, this demonstrates an example of convergent evolution between Gram-positive and Gram-negative phages to inhibit quorum-sensing, and highlights the versatility of small phage proteins.

Abstract Human Long Intergenic Noncoding RNA-p21 (LincRNA-p21) is a regulatory noncoding RNA that plays an important role in promoting apoptosis. LincRNA-p21 is also critical in down-regulating many p53 target genes through its interaction with a p53 repressive complex. The interaction between LincRNA-p21 and the repressive complex is likely dependent on the RNA tertiary structure. Previous studies have determined the two-dimensional secondary structures of the sense and antisense human LincRNA-p21 AluSx1 IRs using SHAPE. However, there were no insights into its three-dimensional structure. Therefore, we in vitro transcribed the sense and antisense regions of LincRNA-p21 AluSx1 Inverted Repeats (IRs) and performed analytical ultracentrifugation, size exclusion chromatography, light scattering, and small angle X-ray scattering (SAXS) studies. Based on these studies, we determined low-resolution, three-dimensional structures of sense and antisense LincRNA-p21. By adapting previously known two-dimensional information, we calculated their sense and antisense high-resolution models and determined that they agree with the low-resolution structures determined using SAXS. Thus, our integrated approach provides insights into the structure of LincRNA-p21 Alu IRs. Our study also offers a viable pipeline for combining the secondary structure information with biophysical and computational studies to obtain high-resolution atomistic models for long noncoding RNAs.

Abstract To achieve a virological cure for hepatitis B virus (HBV), innovative strategies are required to target the covalently closed circular DNA (cccDNA) genome. Guanine‐quadruplexes (G4s) are a secondary structure that can be adopted by DNA and play a significant role in regulating viral replication, transcription, and translation. Antibody‐based probes and small molecules have been developed to study the role of G4s in the context of the human genome, but none have been specifically made to target G4s in viral infection. Herein, we describe the development of a humanized single‐domain antibody (S10) that can target a G4 located in the PreCore (PreC) promoter of the HBV cccDNA genome. MicroScale Thermophoresis demonstrated that S10 has a strong nanomolar affinity to the PreC G4 in its quadruplex form and a structural electron density envelope of the complex was determined using Small‐Angle X‐ray Scattering. Lentiviral transduction of S10 into HepG2‐NTCP cells shows nuclear localization, and chromatin immunoprecipitation coupled with next‐generation sequencing demonstrated that S10 can bind to the HBV PreC G4 present on the cccDNA. This research validates the existence of a G4 in HBV cccDNA and demonstrates that this DNA secondary structure can be targeted with high structural and sequence specificity using S10.

Zika virus (ZIKV) infection causes significant human disease that, with no approved treatment or vaccine, constitutes a major public health concern. Its life cycle entirely relies on the cytoplasmic fate of the viral RNA genome (vRNA) through a fine-tuned equilibrium between vRNA translation, replication and packaging into new virions, all within virus-induced replication organelles (vRO). In this study, with an RNAi mini-screening and subsequent functional characterization, we have identified insulin-like growth factor 2 mRNA-binding protein 2 (IGF2BP2) as a new host dependency factor that regulates vRNA synthesis. In infected cells, IGF2BP2 associates with viral NS5 polymerase and redistributes to the perinuclear viral replication compartment. Combined fluorescence in situ hybridization-based confocal imaging, in vitro binding assays, and immunoprecipitation coupled to RT-qPCR, showed that IGF2BP2 directly interacts with ZIKV vRNA 39-nontranslated region. Using ZIKV sub-genomic replicons and a replication-independent vRO induction system, we demonstrated that IGF2BP2 knockdown impairs de novo viral organelle biogenesis and, consistently, vRNA synthesis. Finally, the analysis of immunopurified IGF2BP2 complex using quantitative mass spectrometry and RT-qPCR, revealed that ZIKV infection alters the protein and RNA interactomes of IGF2BP2. Altogether, our data support that ZIKV hijacks and remodels the IGF2BP2 ribonucleoprotein complex to regulate vRO biogenesis and vRNA neosynthesis.

Zika virus (ZIKV) infection causes significant human disease that, with no approved treatment or vaccine, constitutes a major public health concern. Its life cycle entirely relies on the cytoplasmic fate of the viral RNA genome (vRNA) through a fine-tuned equilibrium between vRNA translation, replication, and packaging into new virions, all within virus-induced replication organelles (vROs). In this study, with an RNA interference (RNAi) mini-screening and subsequent functional characterization, we have identified insulin-like growth factor 2 mRNA-binding protein 2 (IGF2BP2) as a new host dependency factor that regulates vRNA synthesis. In infected cells, IGF2BP2 associates with viral NS5 polymerase and redistributes to the perinuclear viral replication compartment. Combined fluorescence in situ hybridization-based confocal imaging, in vitro binding assays, and immunoprecipitation coupled to RT-qPCR showed that IGF2BP2 directly interacts with ZIKV vRNA 3’ nontranslated region. Using ZIKV sub-genomic replicons and a replication-independent vRO induction system, we demonstrated that IGF2BP2 knockdown impairs de novo vRO biogenesis and, consistently, vRNA synthesis. Finally, the analysis of immunopurified IGF2BP2 complex using quantitative mass spectrometry and RT-qPCR revealed that ZIKV infection alters the protein and RNA interactomes of IGF2BP2. Altogether, our data support that ZIKV hijacks and remodels the IGF2BP2 ribonucleoprotein complex to regulate vRO biogenesis and vRNA neosynthesis.

Viral infections are responsible for numerous deaths worldwide. Flaviviruses, which contain RNA as their genetic material, are one of the most pathogenic families of viruses. There is an increasing amount of evidence suggesting that their 5′ and 3′ non-coding terminal regions are critical for their survival. In this study, the 5′ and 3′ terminal regions of Murray Valley Encephalitis and Powassan virus were examined using biophysical and computational modeling methods. First, the purity of in-vitro transcribed RNAs were investigated using size exclusion chromatography and analytical ultracentrifuge methods. Next, we employed small-angle X-ray scattering techniques to study solution conformation and low-resolution structures of these RNAs, which suggested that the 3′ terminal regions are highly extended, compared to the 5′ terminal regions for both viruses. Using computational modeling tools, we reconstructed 3-dimensional structures of each RNA fragment and compared them with derived small-angle X-ray scattering low-resolution structures. This approach allowed us to further reinforce that the 5′ terminal regions adopt more dynamic structures compared to the mainly double-stranded structures of the 3′ terminal regions.