Structural analysis of the 5' terminal of human immunodeficiency virus type 1 genome RNAs transcribed from proviruses with mutations in the transcription start site

Viren werden oft als einfache Eindringlinge betrachtet, doch das humane Immundefizienz-Virus, bekannt als HIV-1, trägt einen komplexen Satz von Anweisungen in seinem genetischen Material. Dieses Material ist ein Strang aus RNA, der sowohl als Bauplan für die Herstellung neuer Viruspartikel als auch als eine Reihe von Anweisungen für die eigene Maschinerie des Virus dient. Ein kritisches Problem für das Virus besteht darin, dass dieser einzelne RNA-Strang zwei sehr unterschiedliche Aufgaben gleichzeitig erfüllen muss. Er muss in DNA kopiert werden, um sich in einer menschlichen Zelle zu verstecken, und er muss auch von der Zelle gelesen werden, um die Proteine herzustellen, die das Virus aufbauen. Um dies zu lösen, verlässt sich das Virus auf einen spezifischen Startpunkt, an dem der Kopierprozess beginnt. Im Wildtyp-Virus ist dieser Startpunkt eine Sequenz aus drei identischen Bausteinen, bei denen es sich um eine Art namens Guanin handelt. Das Virus hat einen klugen Trick entwickelt: Wenn die Kopie am allerersten dieser drei Blöcke beginnt, ist die resultierende RNA labberig und flexibel, was sie perfekt macht, um gelesen und in Proteine umgewandelt zu werden. Wenn die Kopie am dritten Block beginnt, faltet sich die RNA zu einer engen, stabilen Struktur, die ideal dafür ist, in neue Viruspartikel verpackt zu werden. Dieser strukturelle Unterschied bestimmt, ob die RNA ein Arbeiter oder ein Passagier wird.

Doch die Natur ist selten perfekt. Wenn das Virus eine neue Zelle infiziert, macht die Kopiermaschinerie manchmal Fehler und verändert einen dieser drei Startblöke in etwas anderes, wie zum Beispiel Cytosin oder Uracil. Lange Zeit wussten Wissenschaftler nicht, was mit diesen mutierten Versionen geschah. Scheiterte das Virus einfach an der Fortpflanzung? Oder fand es einen Weg, sich anzupassen, indem es den Kopierprozess vielleicht an einer anderen Stelle startete, um den Fehler zu kompensieren? Das Verständnis dessen ist entscheidend, denn wenn das Virus leicht an diese Veränderungen angepasst werden kann, wird es viel schwieriger zu stoppen. Ein Forscherteam in Japan unternahm den Versuch, dieses Rätsel zu lösen, indem es winzige, künstliche Modelle dieser mutierten RNA-Stränge baute, um zu sehen, wie sie sich allein verhalten würden.

Die Forscher begannen damit, im Labor vier verschiedene Versionen des RNA-Strangs zu erstellen. Sie entwarfen eine Version, die am zweiten Block startete, aber eine Mutation am dritten aufwies, und eine weitere, die am ersten Block mit einer Mutation am dritten startete. Sie erstellten auch Versionen mit einer anderen Art von Mutation, um zu sehen, ob das Ergebnis dasselbe war. Sobald diese Stränge gebaut waren, mussten die Wissenschaftler sehen, wie sie sich falteten. Sie verwendeten eine Technik namens Gelelektrophorese, was im Wesentlichen ein Rennen durch ein gelatinöses Labyrinth ist. In diesem Rennen bewegen sich eng gefaltete, kompakte Moleküle schnell, während lose, labberige Moleküle stecken bleiben und sich langsam bewegen. Das Team absolvierte das Rennen zweimal: einmal in einer normalen Umgebung und einmal in einer harten Umgebung voller einer Chemikalie, die Moleküle dazu zwingt, sich zu entfalten.

Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster. Die RNA-Stränge, die am zweiten Block starteten, verhielten sich selbst mit den Mutationen genau wie die erfolgreiche, stabile Passagier-RNA. Sie falteten sich in enge, kompakte Formen und behielten ihre Gestalt auch dann bei, wenn die harte Chemikalie versuchte, sie auseinanderzuziehen. Im Gegensatz dazu blieben die Stränge, die am ersten Block starteten, lose und labberig und verhielten sich wie die Arbeiter-RNA, die für die Herstellung von Proteinen gedacht ist. Um dies zu bestätigen, maßen die Forscher die Temperatur, bei der diese Stränge auseinanderfielen. Die stabilen Stränge hielten zusammen, bis die Temperatur etwa 60 Grad Celsius erreichte, während die labberigen bei viel niedrigeren Temperaturen auseinanderfielen. Dies bestätigte, dass die Mutationen nicht die Fähigkeit des Virus brachen, stabiles genetisches Material herzustellen; stattdessen verschob das Virus einfach seinen Startpunkt zum zweiten Block, um die notwendige Struktur beizubehalten.

Um genau zu sehen, wie diese stabilen Formen aussahen, nutzte das Team eine leistungsstarke Bildgebungsmethode namens Kernspinresonanz, die es Wissenschaftlern ermöglicht, die Position jedes Atoms in einem Molekül zu kartieren. Sie bauten ein dreidimensionales Modell der stabilen RNA-Stränge und fanden heraus, dass die zwei Hauptabschnitte des Moleküls durch einen kontinuierlichen, robusten Stamm verbunden sind. Diese Struktur ist genau das, was das Virus benötigt, um in ein neues Partikel verpackt zu werden. Sie führten dann Computersimulationen durch, um zu beobachten, wie sich diese Strukturen im Laufe der Zeit bewegen. Selbst nachdem sie 200 Nanosekunden an Bewegung simuliert hatten, behielten die stabilen Stränge ihre Form bei, was bewies, dass die Verbindung zwischen den beiden Abschnitten stark und zuverlässig ist.

Die Studie legt nahe, dass das Virus, wenn es auf eine Mutation an seinem Startpunkt stößt, einen eingebauten Rückfallplan hat. Anstatt zu scheitern, verschiebt es den Start des Kopierprozesses zum zweiten Block. Diese Verschiebung ermöglicht es der RNA, sich in die enge, stabile Struktur zu falten, die erforderlich ist, um das genetische Material eines neuen Virus zu werden. Die Forscher stellten auch fest, dass, während diese stabilen Stränge gebildet werden, sie nicht die einzigen sind, die produziert werden; das Virus stellt wahrscheinlich eine Mischung aus sowohl stabilen als auch labberigen Strängen her. Diese Flexibilität könnte erklären, warum das Virus überleben und sich verbreiten kann, selbst wenn seine ursprünglichen Anweisungen unvollkommen sind. Indem sie verstehen, wie das Virus seine Struktur an diese Fehler anpasst, gewinnen Wissenschaftler ein klareres Bild der Widerstandsfähigkeit des Virus und der spezifischen physikalischen Regeln, denen es folgt, um zu überleben.