hnRNPA1 Remodels SARS-CoV-2 Genomic G-Quadruplexes through Its UP1 Domain

Viren sind Meister der Tarnung, aber sie verlassen sich auch auf die Maschinerie der Zellen, die sie infizieren, um zu überleben. In einer menschlichen Zelle werden genetische Anweisungen durch lange RNA-Stränge übertragen, die normalerweise als einfache, flexible Ketten existieren. Unter bestimmten Bedingungen können sich diese Ketten jedoch in sich selbst zurückfalten und komplexe, knotenartige Formen bilden. Eine solche Form wird als G-Quadruplex bezeichnet. Stellen Sie sich einen Stapel aus flachen, quadratischen Platten vor, die aus vier Bausteinen namens Guanin bestehen und durch eine spezielle chemische Art von Kleber zusammengehalten werden. Diese Stapel sind sehr stabil und können wie ein Straßensperre wirken, die die Maschinerie der Zelle daran hindert, den genetischen Code zu lesen. Für ein Virus wie SARS-CoV-2 können diese Straßensperren ein zweischneidiges Schwert sein: Sie könnten dem Virus helfen, sich zu verstecken oder sein eigenes Wachstum zu regulieren, aber wenn sie fest an Ort und Stelle verharren, können sie auch das Virus daran hindern, Kopien seiner selbst zu erstellen. Um zu gedeihen, muss das Virus wahrscheinlich einen Weg finden, diese Knoten bei Bedarf zu entwirren, oft indem es Werkzeuge der Wirtszelle ausleiht.

Wissenschaftler haben schon lange vermutet, dass menschliche Proteine SARS-CoV-2 dabei helfen könnten, diese Strukturen zu bewältigen, aber die genaue Mechanik blieb ein Rätsel. Ein Team von Forschern am Indian Institute of Science setzte sich zum Ziel herauszufinden, ob ein gewöhnliches menschliches Protein namens hnRNPA1 eine Rolle in diesem Prozess spielt. Dieses Protein ist in unseren Zellen reichlich vorhanden und dafür bekannt, mit RNA zu interagieren, aber niemand hatte bisher getestet, ob es tatsächlich in der Lage ist, sich an die spezifischen G-Quadruplex-Knoten im Genom von SARS-CoV-2 zu klammern und diese zu entwirren. Die Forscher begannen damit, den genetischen Code des Virus zu untersuchen und acht spezifische Sequenzen zu identifizieren, die hochkonserviert waren, was bedeutet, dass sie in fast jedem Stamm des Virus vorkamen und wahrscheinlich wichtig für dessen Überleben waren. Sie synthetisierten diese Sequenzen im Labor, zuerst als DNA und dann als RNA, um zu sehen, ob sie sich natürlich in den vorhergesagten Knotengestalten falten würden.

Mit einer Technik, die misst, wie Licht von Molekülen reflektiert wird, bestätigte das Team, dass nur zwei der acht Sequenzen tatsächlich diese stabilen Knoten bildeten. Eine dieser Sequenzen, die sich nahe dem Beginn des viralen genetischen Codes befand, faltete sich zu einem parallelen Stapel, während die andere, die sich weiter unten im Strang befand, eine andere, verdrehte Anordnung bildete. Um absolut sicher zu sein, dass diese Strukturen real waren, fügten die Forscher einen fluoreszierenden Farbstoff hinzu, der nur leuchtet, wenn er an diese spezifischen Knoten bindet. Wie erwartet, leuchtete der Farbstoff nur hell auf, wenn er mit den zwei erfolgreichen Sequenzen gemischt wurde, was bestätigte, dass das Virus tatsächlich diese komplexen Strukturen innerhalb seines genetischen Materials trägt.

Nachdem die Knoten identifiziert worden waren, wandte das Team seine Aufmerksamkeit dem menschlichen Protein hnRNPA1 zu. Dieses Protein besitzt zwei Hauptteile: einen Kernabschnitt namens UP1-Domäne, die für ihre Fähigkeit bekannt ist, mit RNA umzugehen, und einen Schwanzabschnitt namens RGG-Domäne. Die Forscher wollten wissen, ob das gesamte Protein benötigt wird, um die viralen Knoten zu entwirren, oder ob allein der Kernabschnitt ausreicht. Sie maßen die freigesetzte Wärme, wenn das Protein die RNA-Knoten berührte, eine Methode, die offenlegt, wie fest sie binden. Sie fanden heraus, dass das Protein sich mit beiden viralen Knoten mit einem starken, spezifischen Griff anklammerte. Interessanterweise band die reine UP1-Kern-Domäne genauso fest wie das vollständige Protein mit seinem angehängten Schwanz. Dies deutete darauf hin, dass der Schwanz für das erste Greifen nicht zwingend erforderlich war.

Um zu sehen, ob das Binden auch zum Entwirren führt, mischten die Forscher das Protein mit den gefalteten RNA-Knoten und beobachteten, was geschah. Während sie mehr Protein hinzufügten, begannen die deutlichen Signale, die die Anwesenheit der Knoten anzeigten, zu verblassen. Die kreisförmigen Muster des Lichts, die eine gefaltete Struktur signalisierten, verschwanden und wurden durch Signale ersetzt, die wie ein loser, entwirrter Strang aussah. Dies geschah sowohl, wenn sie nur die Kern-UP1-Domäne oder das vollständige Protein mit dem Schwanz verwendeten. Tatsächlich war die Kern-Domäne allein genauso effektiv beim Entwirren der Knoten wie das vollständige Protein. Die Forscher testeten auch, wie gut das Protein bei unterschiedlichen Verhältnissen funktionierte, und fanden heraus, dass selbst eine kleine Menge Protein die Stabilität der Knoten signifikant reduzieren konnte.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass hnRNPA1 als molekulares Werkzeug fungiert, das das Virus ausnutzen kann, um seinen eigenen genetischen Pfad freizumachen. Indem es an diese G-Quadruplex-Knoten bindet, kann das menschliche Protein diese entfalten, was potenziell ermöglicht, dass sich das Virus effizienter repliziert. Die Studie unterstreicht, dass das Virus nicht sein eigenes spezialisiertes Werkzeug für diese Aufgabe mitführen muss; es kann einfach ein gewöhnliches menschliches Protein verwenden, das bereits in der Zelle reichlich vorhanden ist. Während die Forschung bestätigt, dass diese Interaktion in einem Reagenzglas stattfindet, deutet sie auf einen plausiblen Mechanismus hin, bei dem das Virus ein Wirtsprotein kapert, um die komplexe Faltung seines eigenen genetischen Codes zu steuern und so sicherzustellen, dass es sich innerhalb des menschlichen Körpers effektiv reproduzieren kann.