Respiratory virus mRNA as competitive viral RNA increases host factors expression and facilitates viral infection and replication

Viren, die die Lunge infizieren, wie etwa die Grippe und das Virus hinter COVID-19, sind Meister darin, den menschlichen Körper zu kapern. Um Kopien von sich selbst anzufertigen, müssen diese Eindringlinge die interne Maschinerie der Zelle übernehmen und sie dazu zwingen, neue Viruspartikel zu bauen, anstatt die eigene Gesundheit der Zelle aufrechtzuerhalten. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass Viren dies tun, indem sie massive Mengen ihres eigenen genetischen Materials produzieren, das als RNA bekannt ist, welches als Bauplan für den Aufbau viraler Proteine dient. Eine neue Studie von Forschern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zeigt jedoch, dass diese viralen Baupläne mehr tun, als die Zelle nur anweisen, das Virus zu bauen; sie greifen aktiv in das interne Kommunikationssystem der Zelle ein. Diese Interferenz beinhaltet eine spezifische Art kleiner Moleküle namens microRNA, die normalerweise als Bremse fungiert und die Produktion bestimmter menschlicher Proteine verlangsamt. Die Forscher entdeckten, dass die Viren so viel ihrer eigenen RNA produzieren, dass sie wie ein Schwamm wirkt, der diese bremsenden Moleküle aufsaugt und die menschlichen Proteine frei lässt, damit sie mit voller Geschwindigkeit laufen können – ein Zustand, den das Virus dann ausnutzt, um effizienter zu replizieren.

Die Studie konzentriert sich auf zwei bedeutende respiratorische Viren: den H1N1-Stamm der Influenza und SARS-CoV-2. Im Fall des Grippevirus fanden die Forscher heraus, dass ein spezifisches Segment des genetischen Codes des Virus, das sogenannte PA-Segment, eine Sequenz enthält, die perfekt zu einer menschlichen microRNA namens hsa-miR-10a-5p passt. Unter normalen Umständen bindet diese microRNA an ein menschliches Protein namens CAMK2B und unterdrückt dessen Aktivität. Wenn jedoch das Grippevirus eine Zelle infiziert, überflutet es die Umgebung mit PA-RNA. Diese virale RNA konkurriert mit den Anweisungen des menschlichen Proteins um die microRNA und lenkt so die Aufmerksamkeit der microRNA auf sich. Da die microRNA durch die virale RNA beschäftigt ist, wird das menschliche CAMK2B-Protein aus seiner Unterdrückung entlassen und wird hochaktiv. Die Forscher zeigten, dass dieses aktive CAMK2B-Protein dann ein chemisches Etikett, eine Phosphatgruppe, an ein virales Protein namens M1 heftet. Dieser Markierungsprozess fungiert wie ein Schlüssel, der die Austrittstür des Zellkerns entriegelt und es dem genetischen Material des Virus ermöglicht, den Kern zu verlassen und sich zu neuen Viren zusammenzusetzen. Ohne diese Konkurrenz repliziert sich das Virus wesentlich langsamer.

Die Forscher bestätigten diesen Mechanismus, indem sie eine Version des Grippevirus erzeugten, bei der das PA-Segment nicht mehr an die microRNA binden konnte. Als dieses modifizierte Virus Zellen infizierte, gelang es ihm nicht, das menschliche CAMK2B-Protein effektiv zu aktivieren, und seine Fähigkeit zur Replikation sank im Vergleich zum Wildtyp-Virus signifikant. Das Team beobachtete auch, dass das Virus eine riesige Überschussmenge seiner eigenen RNA im Vergleich zur Menge der verfügbaren microRNA produziert; in ihren Experimenten war die virale RNA in Mengen vorhanden, die es ihr ermöglichten, die menschlichen genetischen Anweisungen effektiv zu verdrängen. Dies deutet darauf hand, dass das Virus nicht seine eigenen Proteine mutieren muss, um effizienter zu werden; es überfordert das regulatorische System der Zelle einfach durch schiere Masse.

Eine ähnliche Strategie wurde bei SARS-CoV-2 beobachtet, dem Virus, das für die weltweite Pandemie verantwortlich ist. In diesem Fall nutzt das Virus einen anderen Abschnitt seines genetischen Codes, spezifisch die 3'-untranslatierte Region (3' UTR), um mit einer anderen microRNA namens hsa-miR-130-7p zu konkurrieren. Normalerweise hält diese microRNA ein menschliches Protein namens CCZ1B in Schach. Wenn SARS-CoV-2 eine Zelle infiziert, bindet seine reichlich vorhandene 3' UTR-RNA an die microRNA und verhindert so, dass diese CCZ1B unterdrückt. Die daraus resultierende Zunahme der CCZ1B-Aktivität hilft der Zelle, einen menschlichen Rezeptor namens ACE2 vom Inneren der Zelle zu ihrer Oberfläche zu transportieren. Da ACE2 die Tür ist, durch die SARS-CoV-2 in die Zelle gelangt, macht ein höherer Bestand an ACE2 an der Oberfläche die Zelle wesentlich anfälliger für eine Infektion. Die Forscher fanden heraus, dass, wenn sie die microRNA blockierten oder die virale RNA erhöhten, die Menge an ACE2 auf der Zelloberfläche anstieg, was den viralen Eintritt erleichterte. Umgekehrt hatte das Virus Schwierigkeiten, die Zellen zu infizieren, wenn sie die Aktivität von CCZ1B reduzierten.

Die Studie untersuchte auch, wie diese Mechanismen den Unterschieden im Verhalten verschiedener Stämme dieser Viren erklären könnten. Die Forscher analysierten die Gensequenzen verschiedener Influenza-Subtypen und SARS-CoV-2-Varianten, um zu sehen, ob diese kompetitiven Bindungsstellen erhalten geblieben sind. Sie fanden heraus, dass die Bindungsstellen für das Grippevirus in Stämmen, die für hohe Replikationsraten bekannt sind, wie H1N1 und H7N9, hoch konserviert waren. Für SARS-CoV-2 war die Bindungsstelle in früheren Varianten wie Alpha, Beta und Gamma sowie in der ursprünglichen Omicron-Subvariante vorhanden, zeigte jedoch in späteren Omicron-Subvarianten Mutationen oder Deletionen. Dies deutet darauf hin, dass das Virus sich entwickelt haben könnte, um sich weniger auf diesen spezifischen Mechanismus in neueren Stämmen zu verlassen, oder dass andere Faktoren übernommen haben. Die Forscher stellten auch fest, dass während die Spike- und Nukleokapsid-Proteine von SARS-CoV-2 die Entzündungssignale in der Zelle verstärkten, die 3' UTR spezifisch den Anstieg des CCZ1B-Proteins vorantrieb, was verdeutlicht, dass verschiedene Teile des genetischen Codes des Virus unterschiedliche Rollen bei der Manipulation des Wirts spielen.

Durch die Kartierung dieser Interaktionen lieferten die Forscher eine quantitative Sichtweise darauf, wie die Mengen der viralen RNA die Mengen der menschlichen Proteine beeinflussen. Sie zeigten, dass die Beziehung einem vorhersagbaren Muster folgt, bei dem die Menge des menschlichen Proteins steigt, wenn die Menge der viralen RNA steigt, aber nicht in einer einfachen geraden Linie. Dieser mathematische Zusammenhang hilft zu erklären, warum einige Viren erfolgreicher bei der Replikation sind als andere; es geht nicht nur darum, wie gut das Virus an eine Zelle bindet, sondern wie effektiv sein genetisches Material das interne Regulationsnetzwerk der Zelle stört. Die Ergebnisse legen nahe, dass das schiere Volumen der während einer Infektion produzierten viralen RNA ein entscheidender Faktor für die Fähigkeit des Virus ist, den Wirt zu manipulieren. Diese Konkurrenz um microRNAs scheint eine weit verbreitete Strategie zu sein, mit der respiratorische Viren versuchen, die körpereigenen Abwehrkräfte des Wirts in Werkzeuge für ihre eigene Replikation umzuwandeln.

Die Implikationen dieser Entdeckung erstrecken sich über das Verständnis darüber hinaus, wie diese spezifischen Viren funktionieren. Die Forscher identifizierten, dass dieser kompetitive Mechanismus nicht auf nur ein oder zwei Gene beschränkt ist, sondern wahrscheinlich ein Netzwerk von Interaktionen zwischen viraler RNA, microRNAs und Dutzenden von menschlichen Proteinen umfasst. Sie visualisierten diese Verbindungen und fanden heraus, dass viele menschliche Faktoren, die Viren bei der Replikation helfen, wahrscheinlich durch denselben „Schwamm-Effekt“ reguliert werden. Dies bedeutet, dass das Virus nicht nur ein passiver Passagier in der Zelle ist, sondern ein aktiver Manipulator, der die zelluläre Umgebung umgestaltet, indem er sie mit seinen eigenen genetischen Anweisungen überflutet. Die Studie weist auch darauf hin, dass Mutationen in den nicht-kodierenden Regionen des Virus, die die viralen Proteine selbst nicht verändern, die Fähigkeit des Virus zur Infektion und Ausbreitung drastisch verändern können, indem sie beeinflussen, wie gut es mit diesen microRNAs konkurriert. Dies bietet eine neue Perspektive darauf, wie Virusstämme evolvieren und warum einige infektiöser werden als andere.

Letztendlich liefert die Forschung ein klareres Bild des molekularen Tauziehens, das stattfindet, wenn ein respiratorisches Virus eine menschliche Zelle infiziert. Sie zeigt, dass das Virus nicht nur gewinnt, indem es seine eigenen Teile baut, sondern indem es die Fähigkeit der Zelle außer Kraft setzt, ihre eigenen Teile zu regulieren. Die virale RNA fungiert als kompetitiver Akteur, der die kleinen regulatorischen Moleküle sequestriert, die andernfalls die zelluläre Maschinerie in Schach halten würden. Dies lässt die eigenen Proteine der Zelle, die das Virus für seine eigene Replikation benötigt, frei, mit hoher Intensität zu funktionieren. Die Studie bestätigt, dass dieser Mechanismus ein grundlegender Teil der Funktionsweise dieser Viren ist, was einen neuen Ansatz bietet, um die virale Pathogenese zu verstehen und potenziell neue Wege zu finden, den Infektionszyklus durch gezielte Eingriffe in diese spezifischen Interaktionen zwischen viraler und menschlicher RNA zu unterbrechen.