G-QUADRUPLEXES IN THE HIV-1 GENOME AS ANTIVIRAL TARGETS

G-quadruplexes are non-canonical nucleic acid structures: their presence and functional role have been established in telomeres, oncogene promoters and coding regions of the human chromosome. In particular, they act as silencers in the promoter regions of human genes and putative G-quadruplex forming sequences are also present in promoters of other mammals, yeasts, and prokaryotes. Moreover, they have been proposed to be directly involved in gene regulation at the level of transcription. We investigated G-quadruplex formation in the HIV-1 proviral genome to assess the potential for viral inhibition through G-quadruplex stabilization. Here we show that the HIV-1 LTR promoter exploits G-quadruplex-mediated transcriptional regulation with striking similarities to eukaryotic promoters and that treatment with a G-quadruplex ligand inhibits HIV-1 infectivity. In addition, we found three conserved putative G-quadruplex forming sequences uniquely clustered in the coding region for the accessory protein Nef that were efficiently stabilized or induced by G-quadruplex ligands. Upon incubation with a G-quadruplex ligand, Nef expression was reduced in a reporter gene assay and Nef-dependent enhancement of HIV-1 infectivity was significantly repressed in an antiviral assay. Finally, a comprehensive screening of G-quadruplex ligands against HIV-1 disclosed significant potential of some of them as HIV-1 inhibitors, likely with a G-quadruplex-mediated mechanism of action. These findings open up the possibility of inhibiting the HIV-1 by G-quadruplex-interacting small molecules, providing a new pathway to the development of anti-HIV-1 drugs with unprecedented mechanism of action.

Sequenze di acidi nucleici ricchi di guanine possiedono la capacità di ripiegarsi in conformazioni secondarie non canoniche dette G-quadruplex. La presenza di sequenze G-quadruplex è stata evidenziata in numerose regioni del genoma umano, ad esempio le estremità telomeriche, i promotori di oncogeni e diverse sequenze codificanti. In particolare, la formazione di strutture G-quadruplex a livello delle regioni promotoriali del genoma umano risulta correlata al silenziamento dell’espressione genica. E’ interessante notare come la presenza di sequenze G-quadruplex nei promotori sia stata descritta anche per genomi di altri organismi eucarioti, tra cui lieviti, e procarioti. Queste evidenze supportano fortemente una funzione regolatoria ubiquitaria svolta dalle strutture G-quadruplex a livello promotoriale, dove agiscono per lo più come silenziatori. Inoltre, anche la presenza di strutture G-quadruplex in sequenze codificanti del genoma umano può regolare l’espressione genica, perturbando il processo di trascrizione. Il presente lavoro di tesi ha avuto come scopo principale lo studio della presenza e della formazione di strutture G-quadruplex a livello del genoma provirale di HIV-1 al fine di valutare possibili effetti antivirali mediati dalla stabilizzazione di queste strutture secondarie. A livello della regione LTR di HIV-1, dove è situato il promotore virale, abbiamo dimostrato la presenza di strutture G-quadruplex analoghe a quelle già descritte a livello di promotori eucariotici. I risultati ottenuti evidenziano per la prima volta una regolazione dell’espressione genica virale da parte di queste strutture. La stabilizzazione delle strutture G-quadruplex virali, mediata da un ligando specifico, è risultata sufficiente a reprimere l’attività promotoriale del virus. Lo stesso composto è risultato inoltre efficace nell’inibire la produzione di HIV-1 in cellule infettate. Anche a livello di sequenze codificanti proteine virali, in particolare la proteina accessoria Nef, abbiamo individuato un cluster di sequenze che possono formare strutture G-quadruplex. L’induzione e la stabilizzazione di queste strutture secondarie mediate da un ligando specifico hanno determinato una significativa riduzione dell’espressione della proteina, supportando ulteriormente la possibilità di una regolazione dell’espressione genica mediata dai G-quadruplex. Inoltre, il medesimo composto è risultato efficace nell’inibire la replicazione virale in cellule infettate con un meccanismo d’azione Nef-dipendente. Infine, è stato effettuato uno screening di ligandi G-quadruplex per valutarne il possibile effetto anti-HIV-1. Diversi composti sono risultati promettenti inibitori virali e sono stati oggetto di caratterizzazioni più approfondite per quanto riguarda il meccanismo d’azione antivirale. I risultati presentati in questa tesi pongono le basi per un’azione anti-HIV-1 mediata da strutture G-quadruplex indotte o stabilizzate da piccole molecole erappresentano un importante punto di partenza per lo sviluppo di composti antivirali con un meccanismo d’azione innovativo.