ORF1ab

ORF1ab (auch ORF1a/b ) bezeichnet zusammenfassend zwei offene Leserahmen (ORFs), ORF1a und ORF1b , die in den Genomen von Nidoviren , einer Gruppe von Viren, zu der auch Coronaviren gehören, konserviert sind . Die Gene exprimieren große Polyproteine , die durch Proteolyse in verschiedene nichtstrukturelle Proteine ​​mit unterschiedlichen Funktionen im viralen Lebenszyklus gespalten werden , darunter Proteasen und Komponenten des Replikase-Transkriptase-Komplexes (RTC). ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Zusammen werden die beiden ORFs manchmal als Replikasegen bezeichnet . ^{[ 4 ]} Sie sind durch eine programmierte ribosomale Leserasterverschiebung miteinander verbunden , die es dem Ribosom ermöglicht, die Translation über das Stoppcodon am Ende von ORF1a hinaus in einem -1- Leserahmen fortzusetzen . Die resultierenden Polyproteine ​​sind als pp1a und pp1ab bekannt . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

Genomische Informationen

Genomische Organisation des Isolats Wuhan-Hu-1, der frühesten sequenzierten Probe von SARS-CoV-2, mit Angabe der Position von ORF1a und ORF1b
Genomgröße	29.903 Basen
Jahr der Fertigstellung	2020
UCSC Genome Browser Assembly-ID	wuhCor1

ORF1a ist der erste offene Leserahmen am 5'-Ende des Genoms. ORF1ab nimmt zusammen etwa zwei Drittel des Genoms ein, während das verbleibende Drittel am 3'-Ende die Struktur- und Hilfsproteine ​​kodiert . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Die Translation erfolgt durch cap-abhängige Translation von einer 5'-cap-modifizierten RNA . ^{[ 1 ]} Nidoviren verfügen über ein komplexes System zur diskontinuierlichen Produktion subgenomischer RNA , um die Expression von Genen in ihren relativ großen RNA-Genomen (typischerweise 27–32 kb bei Coronaviren ^{[ 1 ]} ) zu ermöglichen. ORF1ab wird jedoch direkt von der genomischen RNA translatiert. ^{[ 5 ]} ORF1ab-Sequenzen wurden in nicht-kanonischen subgenomischen RNAs beobachtet, ihre funktionelle Bedeutung ist jedoch unklar. ^{[ 5 ]}

Eine programmierte ribosomale Leserasterverschiebung ermöglicht das Überlesen des Stoppcodons , das ORF1a beendet, und die Fortsetzung der Translation in einem -1- Leseraster , wodurch das längere Polyprotein pp1ab entsteht. Die Leserasterverschiebung erfolgt an einer schwer zugänglichen Sequenz , an die eine Pseudoknoten -RNA-Sekundärstruktur anschließt . ^{[ 1 ]} Die Effizienz dieser Verschiebung wurde für das murine Coronavirus mit 20–50 % [ ^{6 ]} bzw. für SARS-CoV-2 mit 45–70 % ^{[ 7 ] gemessen ,} was zu einer Stöchiometrie von etwa 1,5- bis 2-mal so viel exprimiertem pp1a- wie pp1ab-Protein führt. ^{[ 2 ]}

Die Polyproteine ​​pp1a ^und pp1ab enthalten etwa 13 bis 17 nichtstrukturelle Proteine . ^{[ 3 ]} Durch die Wirkung interner Cysteinproteasedomänen werden diese Proteine ​​mittels Autoproteolyse freigesetzt . ^{[ 1 ] [ 2} ] ^{[ 3 ]}

Coronaviren besitzen insgesamt 16 nichtstrukturelle Proteine. Das pp1a-Protein enthält die nichtstrukturellen Proteine ​​nsp1–11, das pp1ab-Protein die Proteine ​​nsp1–10 und nsp12–16. Die proteolytische Prozessierung erfolgt durch zwei Proteasen: Die Papain-ähnliche Proteasedomäne des Multidomänenproteins nsp3 spaltet bis zu nsp4, während die 3CL-Protease (auch als Hauptprotease nsp5 bekannt) die restlichen Spaltungen von nsp5 bis zum C-Terminus des Polyproteins durchführt . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Die Proteine ​​nsp12–16, die C-terminalen Komponenten des pp1ab-Polyproteins, enthalten die für die Virusreplikation notwendigen enzymatischen Kernaktivitäten . ^{[ 1 ]} Nach der proteolytischen Prozessierung lagern sich mehrere nichtstrukturelle Proteine ​​zu einem großen Proteinkomplex zusammen , dem Replikase-Transkriptase-Komplex (RTC), der die Genomreplikation und Transkription durchführt . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Alle Nidovirus-Linien ( Arteriviren , Mesoniviren , Roniviren und Coronaviren ) besitzen fünf konservierte Domänen des „Kernreplikase“ -Proteins : ORF1a enthält die Hauptprotease , die an beiden Enden von Transmembrandomänen flankiert wird ; ORF1b enthält eine Nukleotidyltransferase- Domäne ( NiRAN) , eine RNA-abhängige RNA-Polymerase (RdRp), eine Zinkbindungsdomäne und eine Helikase . ^{[ 3 ] [ 9 ]} (Manchmal werden die Transmembranregionen separat gezählt und als sieben Domänen betrachtet. ^{[ 4 ]} ) Zusätzlich findet sich in allen Nidoviren, die Wirbeltiere infizieren, eine Endoribonuklease- Domäne . Arteriviren, die kleinere Genome als die anderen Nidovirus-Linien besitzen, weisen zudem einen Mangel an Methyltransferasen sowie an einer Korrekturlese- Exoribonuklease auf – einer Domäne, die bei Nidoviren mit größeren Genomen konserviert ist. ^{[ 3 ]} Diese Korrekturlesefunktion ist vermutlich für die ausreichende Genauigkeit bei der Replikation großer RNA-Genome erforderlich, könnte aber bei einigen Viren auch weitere Funktionen erfüllen. ^{[ 9 ]}

Bei Coronaviren enthalten pp1a und pp1ab zusammen sechzehn nichtstrukturelle Proteine, die folgende Funktionen haben: ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 10 ] [ 11 ]}

The structure and organization of the genome, including ORF1a, ORF1b, and the frameshift separating them, is conserved among nidoviruses. Some "non-canonical" nidovirus structures have been described, mainly involving gene fusions.^[4] The largest known nidovirus, planarian secretory cell nidovirus (PSCNV), with a 41kb genome, has a non-canonical genome structure in which ORF1a, ORF1b, and downstream ORFs containing structural proteins are fused and expressed as a single large ORF encoding a polyprotein of over 13,000 amino acids.^[4][12] In these non-canonical genomes, other frameshift locations or stop codon readthrough may be used to regulate the stoichiometry of viral proteins.^[4]

Nidoviruses vary widely in genome size, from arteriviruses with typically 12-15kb genomes to coronaviruses at 27-32kb. Their evolutionary history has been of research interest in understanding the replication of very large RNA genomes despite the relatively low-fidelity replication mechanism of the viral RNA-dependent RNA polymerase (RdRp).^[4] The larger nidovirus genomes (above around 20kb^[3]) encode a proofreading exoribonuclease (nsp14 in coronaviruses) thought to be required for replication fidelity.^[9][1]

Unter den Coronaviren ist ORF1ab stärker konserviert als die 3'-ORFs, die für Strukturproteine ​​kodieren . ^{[ 11 ]} Während der COVID-19-Pandemie wurde das Genom von SARS-CoV-2- Viren vielfach sequenziert , wodurch Tausende verschiedener Varianten identifiziert wurden . Laut einer Analyse der Weltgesundheitsorganisation (WHO) vom Juli 2020 war ORF1ab das am häufigsten mutierte Gen, gefolgt vom S-Gen, das für das Spike-Protein kodiert . Das am häufigsten mutierte Protein innerhalb von ORF1ab war die Papain-ähnliche Protease (nsp3), und die am häufigsten beobachtete Missense-Mutation betraf die RNA-abhängige RNA-Polymerase . ^{[ 13 ]} Einige PCR- Tests zum Nachweis von COVID-19 analysieren die Probe unter anderem auf das ORF1ab-Gen. ^{[ 14 ]}