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

A menudo se piensa que los virus son simples invasores, pero el virus de la inmunodeficiencia humana, conocido como VIH-1, porta un conjunto complejo de instrucciones dentro de su material genético. Este material es una cadena de ARN, que actúa tanto como un plano para fabricar nuevas partículas virales como un conjunto de instrucciones para la propia maquinaria del virus. Un problema crítico para el virus es que esta única cadena de ARN debe realizar dos tareas muy diferentes al mismo tiempo. Necesita ser copiada en ADN para esconderse dentro de una célula humana y también necesita ser leída por la célula para fabricar las proteínas que construyen el virus. Para resolver esto, el virus se apoya en un punto de partida específico donde comienza el proceso de copiado. En el virus de tipo silvestre, este punto de partida es una secuencia de tres bloques de construcción idénticos, todos de un tipo llamado guanina. El virus ha evolucionado con un truco ingenioso: si el copiado comienza en el primer de estos tres bloques, el ARN resultante es flexible y maleable, lo que lo hace perfecto para ser leído y transformado en proteínas. Si el copiado comienza en el tercer bloque, el ARN se pliega en una estructura apretada y estable, que es ideal para ser empaquetado en nuevas partículas virales. Esta diferencia estructural determina si el ARN se convierte en un trabajador o en un pasajero.

Sin embargo, la naturaleza rara vez es perfecta. Cuando el virus infecta una nueva célula, la maquinaria de copiado a veces comete errores, cambiando uno de esos tres bloques de partida por algo más, como una citosina o un uracilo. Durante mucho tiempo, los científicos no supieron qué pasaba con estas versiones mutadas. ¿Simplemente fallaba la reproducción del virus? ¿O encontraba una forma de adaptarse, quizás comenzando el proceso de copiado en un lugar diferente para compensar el error? Comprender esto es vital porque si el virus puede adaptarse fácilmente a estos cambios, se vuelve mucho más difícil de detener. Un equipo de investigadores en Japón se propuso resolver este misterio construyendo diminutos modelos artificiales de estas cadenas de ARN mutadas para ver cómo se comportaban por sí solas.

Los investigadores comenzaron creando cuatro versiones diferentes de la cadena de ARN en el laboratorio. Diseñaron una versión que comenzaba en el segundo bloque pero tenía una mutación en el tercero, y otra que comenzaba en el primer bloque con una mutación en el tercero. También crearon versiones con un tipo de mutación diferente para ver si el resultado era el mismo. Una vez construidas estas cadenas, los científicos necesitaban ver cómo se plegaban. Utilizaron una técnica llamada electroforesis en gel, que es esencialmente una carrera a través de un laberinto gelatinoso. En esta carrera, las moléculas plegadas de forma apretada y compacta se mueven rápidamente, mientras que las moléculas sueltas y maleables se quedan atrapadas y se mueven lentamente. El equipo realizó la carrera dos veces: una en un entorno normal y otra en un entorno hostil lleno de un producto químico que obliga a las moléculas a desplegarse.

Los resultados revelaron un patrón claro. Las cadenas de ARN que comenzaban en el segundo bloque, incluso con las mutaciones, se comportaron exactamente como el ARN pasajero exitoso y estable. Se plegaron en formas apretadas y compactas que mantuvieron su forma incluso cuando el químico agresivo intentó separarlas. En contraste, las cadenas que comenzaban en el primer bloque permanecieron sueltas y maleables, comportándose como el ARN trabajador destinado a la fabricación de proteínas. Para confirmar esto, los investigadores midieron la temperatura a la cual estas cadenas se desintegraban; las cadenas estables se mantuvieron unidas hasta que la temperatura alcanzó aproximadamente los 60 grados Celsius, mientras que las maleables se desintegraron a temperaturas mucho más bajas. Esto confirmó que las mutaciones no rompían la capacidad del virus para fabricar material genético estable; en su lugar, el virus simplemente desplazaba su punto de inicio al segundo bloque para mantener la estructura necesaria.

Para ver exactamente cómo eran estas formas estables, el equipo utilizó un método de imagen muy potente llamado resonancia magnética nuclear, que permite a los científicos mapear la posición de cada átomo en una molécula. Construyeron un modelo tridimensional de las cadenas de ARN estables y descubrieron que las dos secciones principales de la molécula estaban conectadas por un tallo continuo y robusto. Esta estructura es exactamente lo que el virus necesita para ser empaquetado en una nueva partícula. Luego realizaron simulaciones por computadora para observar cómo se movían estas estructuras a lo largo del tiempo. Incluso después de simular 200 nanosegundos de movimiento, las cadenas estables mantuvieron su forma, demostrando que la conexión entre las dos secciones era fuerte y fiable.

El estudio sugiere que cuando el virus encuentra una mutación en su punto de partida, tiene un plan de respaldo integrado. En lugar de fallar, desplaza el inicio del proceso de copiado al segundo bloque. Este desplazamiento le permite al ARN plegarse en la estructura apretada y estable requerida para convertirse en el material genético de un nuevo virus. Los investigadores también observaron que, aunque estas cadenas estables se forman, no son las únicas que se producen; es probable que el virus fabrique una mezcla de cadenas estables y maleables. Esta flexibilidad podría explicar por qué el virus puede sobrevivir y propagarse incluso cuando sus instrucciones iniciales son imperfectas. Al comprender cómo el virus adapta su estructura ante estos errores, los científicos obtienen una visión más clara de la resiliencia del virus y de las reglas físicas específicas que sigue para sobrevivir.