İnsan solunum sinsityal virüsünün protein dizisi çeşitliliği dinamiklerinin incelenmesi
Dissecting the dynamics of human respiratory syncytial virus (hrsv) protein sequence diversity
Yazar: FARUK ÜSTÜNEL
Danışman: PROF. DR. ATİLLA AKDEMİR ; DOÇ. DR. MOHAMMAD ASİF KHAN
Bezm-i Alem Vakıf Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı / Biyoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Aşılar = Vaccines ; Biyoinformatik = Bioinformatics ; Dizi analizi = Sequence analysis ; RNA virüsleri = RNA viruses ; Respiratuvar sinsityal virüsleri = Respiratory syncytial viruses

Özet:
İnsan solunum sinsityal virüsü (hRSV), dünya çapında en bulaşıcı virüslerden biridir ve bronşiolit ve pnömoni gibi alt solunum yolu enfeksiyonlarına yol açabilir. Lisanslı profilaktik hRSV aşısı bulunmamaktadır. hRSV'nin büyük ölçekli proteom çapında dizi çeşitliliği analizinde kullanılacak ve epitop bazlı hRSV aşı tasarımı için potansiyel aşı hedeflerinin tanımlanmasına yol açacak çok sayıda hRSV dizisi halka açık veri tabanlarında mevcuttur.
Bu çalışma, virüsün mevcut tüm protein dizilerine odaklanmıştır. Dizi verileri, halka açık NCBI Virüs ve Virüs Patojen Veritabanı ve Analiz Kaynağı (VIPR) veritabanlarından toplanmıştır. Protein dizisi verileri havuz oluşturularak birleştirilmiş ve benzer diziler CD-HIT kullanılarak çıkarılmıştır. Bireysel protein veri kümeleri oluşturmak için 11 hRSV proteininin UniProt referans kayıtları kullanılarak toplanan diziler üzerinde BLASTp analizi yapılmıştır. Her protein veri seti, MUSCLE programı kullanılarak hizalanmıştır. Dizi çeşitliliği, proteinin uzunluğu boyunca örtüşen her 9-mer (nonamer) (1-9, 2-10, vb.) pozisyonu için Shannon entropisi kullanılarak ölçülmuştür. Bundan sonra, T-hücre epitopları, IEDB veritabanı kullanılarak deneysel olarak ispatlanan epitoplar ile eşleştirilmiş ve IEDB'nin önerdiği yardımcı araçlar kullanılarak epitop tahmini yapılmıştır. Tahmin sonuçlarımızı desteklemek için, seçilen epitopların MHC I ve II'ye karşı moleküler docking analizleri ve moleküler dinamik simülasyonları yapılmıştır.
VIPR ve NCBI Virus veritabanlarından toplanan toplam dizi sayısı 93.382'dir. Benzer dizilerin çıkartılmasından sonra, sayı 12.413'e düşmüştür (~%87'lik bir azalma). hRSV için gözlemlenen maksimum entropi değeri, M2-2 proteininde 43'üncü nonamer pozisyonunda ~4.2 olarak bulunmuştur. Bununla birlikte, proteom çapında ortalama entropi genel olarak düşüktür (~0.8) ve bu nedenle yüksek korunmuşluk göstermektedir ve bu değerler ~0.5 ( protein N) ile ~2.3 (protein M2-2) arasındadır. Varyantların çoğu (~%55) 0 ile 1 entropi aralığı arasındadır. Nonamer pozisyonlarının yaklaşık yarısı (~%51) yüksek oranda korunmuş olarak sınıflandırılmıştır (indeks insidansı ≥ %90). Epitop tahmini için 2269 yüksek oranda korunmuş nonamer dizisi seçilmiştir. 2269 nonamer dizisinden, sırasıyla MHC Sınıf I ve II için 997 ve 235 epitop tahmin edilmiştir.
Bu çalışma, hRSV proteomundaki dizi çeşitliliği ve bunların potansiyel aşı hedefleri hakkında bilgi sağlamaktadır. Proteomun ve tahmin edilen epitoplarının yüksek düzeyde korunması, profilaktik hRSV aşı tasarımı için daha fazla araştırmanın gerekliliğini ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler: Viral dizi analizi, immünoinformatik, aşı hedef keşfi

Abstract:
Human respiratory syncytial virus (hRSV) is one of the most contagious viruses worldwide, which can lead to lower respiratory tract infections, such as bronchiolitis and pneumonia. There is no licensed prophylactic RSV vaccine. A large number of hRSV sequences are available in public databases, which were used in a large-scale proteome-wide sequence diversity analysis herein of hRSV and that led to the identification of potential vaccine targets for epitope-based hRSV vaccine design.
This study focussed on all available protein sequences of the virus. Sequence data was collected from publicly available NCBI Virus and Virus Pathogen Database and Analysis Resource (VIPR) databases. Protein sequence data were pooled, and duplicates were removed by use of CD-HIT. BLASTp search was performed on the collected sequences using UniProt reference records of the 11 hRSV proteins to generate individual protein datasets. Each protein dataset was multiple sequence aligned using MUSCLE. Sequence diversity was measured by use of Shannon's entropy for each overlapping 9-mer (nonamer) (1–9, 2–10, etc.) position across the length of the protein. From there on, T-cell epitopes were matched to experimentally validated ones in the IEDB database and were also predicted using the tools recommended by the IEDB resource benchmark. To support our prediction results, molecular docking experiments of selected epitopes against human leucocyte antigen (HLA) I and II and molecular dynamic simulations were performed.
The total number of sequences collected from VIPR and NCBI was 93,382. After the removal of duplicates, the number decreased to 12,413 (an ~ 87% reduction). The peak entropy value observed for hRSV was ~4.2 in the M2-2 protein at starting nonamer position 43. However, the proteome-wide average entropy was low (~0.8) and thus, indicating high conservation, with values ranging from ~0.5 (protein N) to ~2.3 (protein M2-2). Most of the variants (~55%) were between the entropy range of 0 to 1. Approximately half (~51%) of the nonamer positions were classified as highly conserved (index incidence ≥ 90%). The number of 2269 highly conserved nonamer sequences were selected for epitope prediction. From the 2269 nonamer sequences, 997 and 235 epitopes were predicted to be restricted to HLA Class I and II, respectively.
This study provides information about sequence diversity across the proteome of hRSV and identified potential vaccine targets.. The high conservation of the proteome and their predicted epitopes merits further investigation for prophylactic hRSV vaccine design.

Keywords: Viral sequence analysis, immunoinformatics, vaccine target discovery