title: Algorithmic approaches on structural RNA evolution in viruses
Creators: name: Ochsenreiter, Roman Wilhelm
Publisher: name: :none
Year: 2023

description: Viren sind ein allgegenwärtiger und evolutionär sehr alter Bestandteil der Biosphäre der Erde. Ihre enorme Bedeutung wird dadurch verdeutlicht dass sämtliche zelluläre Organismen, von Einzellern bis zu den größten Säugetieren, von Viren identifiziert werden wobei für jede zelluläre Spezies mindestens ein spezifisches Virus existiert. Im Verlauf der Evolution haben Viren mannigfaltige Strategien zur Anpassung an diese enorme Zahl an Wirten und Umweltbedingungen entwickelt um sich effizient vermehren zu können. Von besonderem Interesse sind dabei RNA-Viren, da sie einzigartige Methoden entwickelt haben um sonst klassisch Protein-basierte Funktionalitäten direkt durch RNA auszuführen. Die Funktionalität von RNA wird dabei entscheidend durch die Struktur des Moleküls geprägt. Trotz der bemerkenswerten Bedeutung von funktioneller RNA-Struktur, wurde bisher nur eine überschaubare Anzahl an viralen RNA-Elementen eingehend charakterisiert. Eine vergleichende Analyse von RNA-Struktur, innerhalb oder zwischen Virenspezies, kann dabei in silico durchgeführt werden und wertvolle Erkenntnisse über die Charakteristika von Strukturelementen und ihre evolutionäre Dynamik liefern. Entscheidend für ein eingehendes Verständnis der strukturellen Evolution von viraler RNA ist dabei die Wahl eines geeigneten algorithmischen Ansatzes, welcher die extreme Evolutionsrate von RNA-Viren berücksichtigen kann. Es werden detaillierte in silico Studien zur Relevanz und dem Einfluss von RNA Struktur in verschiedenen Viren bzw. Virenfamilien präsentiert. In der ersten Arbeit wird das Chikungunya Virus, ein in tropischen Gebieten endemisches Virus, als Beispiel für eine Studie zur de-novo Entdeckung von Strukturelementen präsentiert. Besonderer Fokus wird darauf gelegt Unterschiede zwischen einzelnen Varianten des Chikungunya-Virus aufzuzeigen und daran seine epidemiologische Geschichte und die Entstehung der aktuell dominanten Subtypen zu rekonstruieren. In einer weiteren Arbeit wird die strukturelle Architektur der Untranslatierten Regionen aller Flaviviren eingehend untersucht. Bestehende Modelle der in Flaviviren bedeutsamen Familie der Exoribonuklease-blockierenden RNAs werden stark verbessert oder ersetzt. Darüber hinaus werden neue Strukturelemente identifiziert, und eine Vielzahl von bestehenden und neuen Elementen in zahlreichen Vertretern bisher schwach untersuchter Flaviviren annotiert. Dabei wird die Eignung vergleichender Analysemethoden für derartige Probleme demonstriert und stichhaltige Indizien für die Relevanz der in silico Ergebnisse dargelegt. Zuletzt wird ein eine systematische Analyse der Häufigkeit von konservierter RNA-Struktur in allen bekannten Viren präsentiert. Es werden generelle evolutionäre Trends in der Entwicklung viraler RNA Struktur aufgezeigt und einem breiten Publikum in Form der RNASIV-Datenbank für weitere Analyse zur Verfügung gestellt.
description: Viruses are a ubiquitous and evolutionary ancient component of earth's biosphere. Their enormous significance is illustrated by the fact that all cellular organisms, from unicellular organisms to the largest mammals, are infected by viruses, where for each cellular species there is at least one specific virus. In order to succeed, Over the course of evolution viruses have invented a multitude of strategies to adapt to this enormous number of hosts and environmental conditions. Of particular interest are RNA viruses, as they have developed unique ways to carry out otherwise classically protein-based functionalities directly through RNA, where functionality mediated by RNA molecules is often strongly determined by the structure of the RNA. Despite the remarkable impact of functional RNA structure, only a comparably small number of viral RNA elements have been characterized in detail. A comparative analysis of RNA structure, within or between viral species, can be performed in silico and provide valuable insights into the characteristics of structural elements and their evolutionary dynamics. Crucial for a thorough understanding of the structural evolution of viral RNA is the choice of a suitable algorithmic approach, which is able to account for the extreme rate of evolution of RNA viruses. In this thesis, detailed in silico studies on the relevance and influence of RNA structure in different viruses and virus families are presented. In the first paper, the Chikungunya virus, which is endemic to tropical areas, is used demonstrate the de novo discovery of structural elements in a virus. Particular focus is placed on differences between individual lineages of the Chikungunya virus and their implications for its epidemiological history and the emergence of today's dominant subtypes. In a further work, the structural architecture of the untranslated regions of all flaviviruses is examined and deconstructed in detail. Existing models of the family of exoribonuclease-blocking RNAs, which are essential to flaviviruses, are improved or replaced with more accurate models. In addition, new structural elements are identified, and a large number of known or new elements are annotated in many previously poorly studied flaviviruses. In the process, the suitability of comparative methods for analysis of viral structural RNA is demonstrated and evidence for the relevance and validity of the in silico results is presented. Finally, a systematic analysis of the frequency and impact of conserved RNA structure in all known viruses is presented. General evolutionary trends in the development of viral RNA structure are presented to a broad audience in the form of the RNASIV database for further analysis.