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

I virus sono spesso considerati semplici invasori, ma l'essere umano immunodeficienza virus, noto come HIV-1, trasporta un insieme complesso di istruzioni all'interno del suo materiale genetico. Questo materiale è un filamento di RNA, che funge sia da progetto per la creazione di nuovi particelle virali sia da un insieme di istruzioni per il macchinario del virus stesso. Un problema critico per il virus è che questo singolo filamento di RNA deve svolgere due compiti molto diversi contemporaneamente. Deve essere copiato in DNA per nascondersi all'interno di una cellula umana e deve anche essere letto dalla cellula per produrre le proteine che costruiscono il virus. Per risolvere questo, il virus si affida a un punto di partenza specifico dove inizia il processo di copia. Nel virus wild-type, questo punto di partenza è una sequenza di tre blocchi identici, tutti di un tipo chiamato guanina. Il virus ha evoluto un trucco astuto: se la copia inizia dal primissimo di questi tre blocchi, l'RNA risultante è floscio e flessibile, perfetto per essere letto e trasformato in proteine. Se la copia inizia dal terzo blocco, l'RNA si ripiega in una struttura stretta e stabile, ideale per essere confezionato in nuove particelle virali. Questa differenza strutturale determina se l'RNA diventerà un operaio o un passeggero.

Tuttavia, la natura raramente è perfetta. Quando il virus infetta una nuova cella, il macchinario di copia a volte commette errori, cambiando uno di quei tre blocchi di partenza in qualcos'altro, come una citosina o una uracile. Per molto tempo, gli scienziati non hanno saputo cosa accadesse a queste versioni mutate. Il virus semplicemente falliva nel riprodursi? O trovava un modo per adattarsi, forse iniziando il processo di copia in un punto diverso per compensare l'errore? Comprendere questo è vitale perché se il virus può adattarsi facilmente a questi cambiamenti, diventa molto più difficile da fermare. Un team di ricercatori in Giappone si è messo in viaggio per risolvere questo mistero costruendo piccoli modelli artificiali di questi filamenti di RNA mutati per vedere come si comportavano da soli.

I ricercatori hanno iniziato creando quattro versioni diverse del filamento di RNA in laboratorio. Hanno progettato una versione che iniziava al secondo blocco ma con una mutazione al terzo, e un'altra che iniziava al primo blaggio con una mutazione al terzo. Hanno anche creato versioni con un tipo di mutazione differente per vedere se il risultato fosse lo stesso. Una volta costruiti questi filamenti, gli scienziati dovevano vedere come si ripiegavano. Hanno utilizzato una tecnica chiamata elettroforesi su gel, che è essenzialmente una corsa attraverso un labirinto gelatinoso. In questa corsa, le molecole ripiegate strettamente e compatte si muovono velocemente, mentre le molecole lasche e flosce rimangono bloccate e si muovono lentamente. Il team ha eseguito la corsa due volte: una volta in un ambiente normale e una volta in un ambiente ostile pieno di una sostanza chimica che costringe le molecole a srotolarsi.

I risultati hanno rivelo un modello chiaro. I filamenti di RNA che iniziavano al secondo blocco, anche con le mutazioni, si comportavano esattamente come il riuscito e stabile RNA passeggero. Si ripiegavano in forme strette e compatte che mantenevano la loro forma anche quando la sostanza chimica aggressiva cercava di smontarli. Al contrario, i filamenti che iniziavano dal primo blocco rimanevano lasci e flosci, comportandosi come l'RNA operaio destinato a produrre proteine. Per confermare ciò, i ricercatori hanno misurato la temperatura alla quale questi filamenti si scomponevano. I filamenti stabili restavano uniti fino a quando la temperatura raggiungeva circa i 60 gradi Celsius, mentre quelli flosci si scomponevano a temperature molto più basse. Ciò ha confermato che le mutazioni non avevano compromesso la capacità del virus di produrre materiale genetico stabile; invece, il virus semplicemente spostava il suo punto di partenza al secondo blocco per mantenere la necessaria struttura.

Per vedere esattamente che aspetto avessero queste forme stabili, il team ha utilizzato un potente metodo di imaging chiamato risonanza magnetica nucleare, che permette agli scienziati di mappare la posizione di ogni atomo in una molecola. Hanno costruito un modello tridimensionale dei filamenti di RNA stabili e hanno scoperto che le due sezioni principali della molecola erano collegate da uno stelo continuo e robusto. Questa struttura è esattamente ciò di cui il virus ha bisogno per essere confezionato in una nuova particella. Hanno poi eseguito simulazioni al computer per osservare come queste strutture si muovevano nel tempo. Anche dopo aver simulato 200 nanosecondi di movimento, i filamenti stabili mantenevano la loro forma, provando che la connessione tra le due sezioni era forte e affidabile.

Lo studio suggerisce che quando il virus incontra una mutazione al suo punto di partenza, possiede un piano di riserva integrato. Invece di fallire, sposta l'inizio del processo di copia al secondo blocco. Questo spostamento permette all'RNA di ripiegarsi nella struttura stretta e stabile richiesta per diventare il materiale genetico di un nuovo virus. I ricercatori hanno anche notato che, sebbene questi filamenti stabili vengano formati, non sono gli unici prodotti; il virus probabilmente produce un mix di filamenti stabili e flosci. Questa flessibilità potrebbe spiegare perché il virus possa sopravvivere e diffondersi anche quando le sue istruzioni di partenza sono imperfette. Comprendendo come il virus adatta la sua struttura a questi errori, gli scienziati ottengono un quadro più chiaro della resilienza del virus e delle specifiche regole fisiche che segue per sopravvivere.