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

ウイルスはしばしば単純な侵入者と考えられがちですが、ヒト免疫不全ウイルスとして知られるHIV-1は、その遺伝物質の中に複雑な一連の指示を携えています。この物質はRNAの鎖であり、新しいウイルス粒子を作るための設計図であると同時に、ウイルス自身の仕組みのための指示書としても機能します。このウイルスにとって極めて重要な問題は、この単一のRNA鎖が、同時に二つの全く異なる役割を果たさなければならないことです。RNAは、細胞内に隠れるためにDNAへとコピーされる必要があり、また、ウイルスを構築するためのタンパク質を作るために細胞によって読み取られる必要もあります。これを解決するために、ウイルスはコピープロセスが始まる特定の開始点に依存しています。野生型のウイルスでは、この開始点は、すべてグアニンと呼ばれる種類の、3つの同一の構成要素からなる配列です。ウイルスは巧妙なトリックを進化させました。もしコピーがこれら3つのブロックの最初の1つ目から始まれば、結果として得られるRNAは、タンパク質へと変換され読み取られるのに最適な、柔らかく柔軟なものになります。もしコピーが3番目のブロックから始まれば、RNAは、新しいウイルス粒子へとパッケージングされるのに理想的な、硬く安定した構造へと折り畳まれます。この構造の違いが、そのRNAが「働き手」になるのか「乗客」になるのかを決定するのです。

しかし、自然界はめったに完璧ではありません。ウイルスが新しい細胞に感染すると、コピーの仕組みが時として間違いを犯し、これら3つの開始ブロックの1つを、シトシンやウラシルのような別のものに変えてしまうことがあります。長い間、科学者たちはこれらの変異したバージョンがどうなったのかを知りませんでした。ウイルスは単に繁殖に失敗したのでしょうか？ それとも、そのエラーを補うために、異なる場所からコピープロセスを開始することで、適応する方法を見出したのでしょうか？ ウイルスがこれらの変化に対して容易に適応できるのであれば、それを阻止することは非常に困難になります。日本の研究チームは、これらの変異したRNA鎖が単独でどのように振る舞うかを見るために、これら変異したRNAの微小な人工モデルを構築することで、この謎を解明しようと試みました。

研究者たちはまず、実験室で4つの異なるバージョンのRNA鎖を作成しました。彼らは、2番目のブロックから始まり、かつ3番目に変異があるバージョンと、1番目のブロックから始まり、かつ3番目に変異があるバージョンを設計しました。また、結果が同じになるかどうかを確認するために、異なるタイプの変異を持つバージョンも作成しました。これらの鎖を作り終えた後、科学者たちはそれらがどのように折り畳まれるかを確認する必要がありました。彼らは、本質的にはゼラチン状の迷路の中を駆け抜けるレースである、ゲル電気泳動という技術を用いました。このレースでは、固く折り畳まれたコンパクトな分子は素早く移動し、緩く、ふにゃふゃとした分子は足止めされてゆっくりと移動します。チームはこのレースを2回行いました。一度は通常の環境で、もう一度は分子をほどこうとする化学物質に満ちた過酷な環境で行いました。

結果は明確なパターンを明らかにしました。たとえ変異があっても、2番目のブロックから始まったRNA鎖は、成功した安定した「乗客」RNAと全く同じように振る舞いました。それらは、過酷な化学物質がバラバラにしようとしてもその形を保つ、硬くコンパクトな形状へと折り畳まれました。対照的に、1番目のブロックから始まった鎖は、タンパク質を作るための「働き手」のRNAのように、緩く、ふにゃふゃとした状態のままでした。これを確認するために、研究者たちはこれらの鎖がバラバラになる温度を測定しました。安定した鎖は温度が摂氏60度に達するまで結合を維持しましたが、ふにゃふゃとした鎖はもっと低い温度で崩壊しました。これにより、変異が安定した遺伝物質を作るというウイルスの能力を損なったのではなく、ウイルスが単に、必要な構造を維持するために開始点を2番目のブロックへとシフトさせたことが確認されました。

これらの安定した形状がどのようなものかを知るために、チームは、すべての原子の位置をマッピングできる核磁気共鳴という強力なイメージング手法を用いました。彼らは安定したRNA鎖の3次元モデルを構築し、分子の2つの主要なセクションが連続した頑丈なステム（茎）でつながれていることを見出しました。この構造こそが、ウイルスが新しい粒子へとパッケージングされるために必要とするものです。その後、彼らはコンピュータシミュレーションを実行し、これらの構造が時間の経過とともにどのように動くかを観察しました。200ナノ秒間の動きをシミュレートした後でも、安定した鎖はその形状を維持し続け、2つのセクション間の接続が強く信頼できるものであることを証明しました。

この研究は、ウイルスが開始点において変異に遭遇したとき、組み込まれたバックアッププランを持っていることを示唆しています。失敗する代わりに、ウイルスはコピープロセスの開始を2番目のブロックへとシフトさせます。このシフトにより、RNAは新しいウイルスとなるために必要な、硬く安定した構造へと折り畳まれることができるのです。研究者たちはまた、これらの安定した鎖が形成される一方で、それらだけが作られるわけではないことも指摘しました。ウイルスはおそらく、安定した鎖とふにゃふゃとした鎖の両方を混合して作っているのでしょう。この柔軟性が、開始の指示が不完全であっても、ウイルスが生存し拡散できる理由を説明している可能性があります。ウイルスがこれらのエラーに対してどのように構造を適応させるかを理解することで、科学者は、ウイルスの回復力と、それが生存のために従う特定の物理的ルールについてのより明確な姿を捉えることができるのです。