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

I virus che infettano i polmoni, come l'influenza e il virus dietro al COVID-19, sono maestri nel dirottare il corpo umano. Per fare copie di se stessi, questi invasori devono comandare il macchinario interno della cellula, costringendola a costruire nuove particelle virali invece di mantenere la salute della cellula stessa. Per decenni, gli scienziati hanno compreso che i virus fanno questo producendo enormi quantità del proprio materiale genetico, noto come RNA, che funge da progetto per costruire le proteine virali. Tuttavia, un nuovo studio condotto dai ricercatori dell'Accademia Cinese delle Scienze rivela che questi progetti virali fanno molto di più che istruire la cellula a costruire il virus; essi interferiscono attivamente con il sistema di comunicazione interna della cellula. Questa interferenza coinvolge un tipo specifico di piccola molecola chiamata microRNA, che normalmente agisce come un freno, rallentando la produzione di certe proteine umane. I ricercatori hanno scoperto che i virus producono così tanto del proprio RNA che esso agisce come una spugna, assorbendo queste molecole frenanti e lasciando le proteine umane libere di correre a piena velocità, uno stato che il virus poi sfrutta per replicarsi più efficientemente.

Lo studio si concentra su due importanti virus respiratori: il ceppo H1N1 dell'influenza e il SARS-CoV-2. Nel caso del virus dell'influenza, i ricercatori hanno scoperto che un segmento specifico del codice genetico del virus, chiamato segmento PA, contiene una sequenza che corrisponde perfettamente a un microRNA umano noto come hsa-miR-10a-5p. In circostanze normali, questo microRNA si lega a una proteina umana chiamata CAMK2B e ne sopprime l'attività. Tuttavia, quando il virus dell'influenza infetta una cellula, inonda l'ambiente con l'RNA del PA. Questo RNA virale compete con le istruzioni della proteina umana per il microRNA, sottraendo efficacementamente l'attenzione del microRNA. Con il microRNA occupato dall'RNA virale, la proteina umana CAMK2B viene rilasciata dalla sua soppressione e diventa altamente attiva. I ricercatori hanno dimostrato che questa proteina CAMK2B attiva attacca poi un'etichetta chimica, un gruppo fosfato, a una proteina virale chiamata M1. Questo processo di etichettatura agisce come una chiave, sbloccando la porta d'uscita nucleare della cellula e permettendo al materiale genetico del virus di lasciare il nucleo e assemblarsi in nuovi virus. Senza questa competizione, il virus si replica molto più lentamente.

I ricercatori hanno confermato questo meccanismo creando una versione del virus dell'influenza in cui il segmento PA non può più legarsi al microRNA. Quando questo virus modificato ha infettato le cellule, non è riuscito ad attivare efficacementamente la proteina umana CAMK2B, e la sua capacità di replicazione è diminuita significamente rispetto al virus wild-type. Il team ha anche osservato che il virus produce un enorme eccesso del proprio RNA rispetto alla quantità di microRNA disponibile; nei loro esperimenti, l'RNA virale era presente in quantità tali da poter competere efficacemente con le istruzioni genetiche umane. Ciò suggerisce che il virus non ha bisogno di mutare le proprie proteine per diventare più efficiente; semplicemente sovrasta il sistema regolatorio della cellula con il puro volume.

Una strategia simile è stata osservata con il SARS-CoV-2, il virus responsabile della pandemia globale. In questo caso, il virus utilizza una sezione diversa del suo codice genetico, specificamente la regione 3' non tradotta (3' UTR), per competere per un diverso microRNA chiamato hsa-miR-1307-3p. Normalmente, questo microRNA tiene sotto controllo una proteina umana chiamata CCZ1B. Quando il SARS-CoV-2 infetta una cellula, il suo abbondante RNA 3' UTR si lega al microRNA, impedendogli di sopprimere la CCZ1B. L'aumento risultante dell'attività della CCZ1B aiuta la cellula a trasportare un recettore umano chiamato ACE2 dall'interno della cellula alla sua superficie. Poiché l'ACE2 è la porta attraverso la quale il SARS-CoV-2 entra nella cellula, avere più di questo sulla superficie rende la cellula molto più suscettibile all'infezione. I ricercatori hanno scoperto che quando hanno bloccato il microRNA o aumentato l'RNA virale, la quantità di ACE2 sulla superficie cellulare è aumentata, facilitando l'ingresso virale. Viceversa, quando hanno ridotto l'attività della CCZ1B, il virus ha faticato a infettare le cellule.

Lo studio ha anche esaminato come questi meccanismi possano spiegare le differenze nel comportamento di vari ceppi di questi virus. I ricercatori hanno analizzato le sequenze genetiche di diversi sottotipi influenzali e varianti del SARS-CoV-2 per vedere se questi siti di legame competitivo fossero preservati. Hanno scoperto che i siti di legame per il virus dell'influenza erano altamente conservati nei ceppi noti per alti tassi di replicazione, come l'H1N1 e l'H7N9. Per il SARS-CoV-2, il sito di legame era presente nelle varianti precedenti come Alpha, Beta e Gamma, nonché nella sottovariante iniziale di Omicron, ma mostrava mutazioni o delezioni nelle sottovarianti successive di Omicron. Ciò suggerisce che il virus possa essersi evoluto per fare meno affidamento su questo specifico meccanismo nelle varianti più recenti, o che altri fattori abbiano preso il sopravvento. I ricercatori hanno anche notato che, mentre le proteine spike e nucleocapside del SARS-CoV-2 aumentavano i segnali infiammatori nella cellula, il 3' UTR guidava specificamente l'aumento della proteina CCZ1B, evidenziando come diverse parti del codice genetico del virus svolgano ruoli distinti nella manipolazione dell'ospite.

Mappando queste interazioni, i ricercatori hanno fornito una visione quantitativa di come i livelli di RNA virale influenzino i livelli delle proteine umane. Hanno dimostrato che la relazione segue un modello prevedibile in cui la quantità di proteina umana aumenta all'aumentare della quantità di RNA virale, ma non in modo linearmente semplice. Questa relazione matematica aiuta a spiegare perché alcuni virus siano più efficaci della replicazione di altri; non si tratta solo di quanto bene il virus si lega a una cellula, ma di quanto efficacemente il suo materiale genetico possa interrompere la rete regolatoria interna della cellula. Le scoperte suggeriscono che il puro volume di RNA virale prodotto durante un'infezione è un fattore critico nella capacità del virus di manipolare l'ospite. Questa competizione per i microRNA sembra essere una strategia diffusa utilizzata dai virus respiratori per trasformare le difese della cellula ospite in strumenti per la propria replicazione.

Le implicazioni di questa scoperta vanno oltre la comprensione di come funzionano questi specifici virus. I ricercatori hanno identificato che questo meccanismo competitivo non è limitato a uno o due geni, ma coinvolge probabilmente una rete di interazioni tra l'RNA virale, i microRNA e decine di proteine umane. Hanno visualizzato queste connessioni e hanno scoperto che molti fattori umani che aiutano i virus a replicarsi sono probabilmente regolati dallo stesso effetto "spugna". Ciò significa che il virus non è solo un passeggero passivo nella cellula, ma un manipolatore attivo che rimodella l'ambiente cellulare inondandolo con le proprie istruzioni genetiche. Lo studio sottolinea anche che le mutazioni nelle regioni non codificanti del virus, che non cambiano le proteine virali stesse, potrebbero comunque alterare drasticamente la capacità del virus di infettare e diffondersi, cambiando il modo in cui compete per questi microRNA. Questo offre una nuova prospettiva su come evolvono i ceppi virali e sul perché alcuni diventino più infettivi di altri.

In definitiva, la ricerca fornisce un quadro più chiaro della lotta per il potere molecolare che avviene quando un virus respiratorio infetta una cellula umana. Mostra che il virus vince non solo costruendo le proprie parti, ma disabilitando la capacità della cellula di regolare le proprie parti. L'RNA virale agisce come un agente competitivo, sequestrando le piccole molecole regolatorie che altrimenti manterrebbero sotto controllo il macchinario cellulare. Ciò lascia le proteine della cellula stessa, di cui il virus ha bisogno per la propria replicazione, libere di funzionare ad alti livelli. Lo studio conferma che questo meccanismo è una parte fondamentale di come operano questi virus, offrendo una nuova angolazione per comprendere la patogenesi virale e potenzialmente identificare nuovi modi per interrompere il ciclo di infezione prendendo di mira queste specifiche interazioni tra l'RNA virale e quello umano.