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

Virussen die de longen infecteren, zoals het griepvirus en het virus achter COVID-19, zijn meesters in het kapen van het menselijk lichaam. Om kopieën van zichzelf te maken, moeten deze indringers de interne machinerie van de cel overnemen, waardoor de cel wordt gedwongen om nieuwe virale deeltjes te bouwen in plaats van de eigen gezondheid van de cel te onderhouden. Decennialang hebben wetenschappers begrepen dat virussen dit doen door enorme hoeveelheden van hun eigen genetisch materiaal te produceren, bekend als RNA, wat fungeert als een blauwdruk voor het bouwen van virale eiwitten. Echter, een nieuwe studie van onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen onthult dat deze virale blauwdrukken meer doen dan alleen de cel instrueren om het virus te bouwen; ze interfereren actief met het eigen interne communicatiesysteem van de cel. Deze interferentie betreft een specifiek type klein molecuul genaamd microRNA, dat normaal gesproken fungeert als een rem, waardoor de productie van bepaalde menselijke eiwitten wordt vertraagd. De onderzoekers ontdekten dat de virussen zoveel van hun eigen RNA produceren dat het fungeert als een spons, die deze remmende moleculen opzuigt en de menselijke eiwitten de vrijheid geeft om op volle snelheid te draaien, een staat die het virus vervolgens exploiteert om efficiënter te repliceren.

De studie richt zich op twee belangrijke respiratoire virussen: de H1N1-stam van influenza en SARS-CoV-2. In het geval van het griepvirus ontdekten de onderzoekers dat een specif kind segment van de genetische code van het virus, de PA-segment genoemd, een sequentie bevat die perfect overeenkomt met een menselijk microRNA bekend als hsa-miR-10a-5p. Onder normale omstandigheden bindt dit microRNA aan een menselijk eiwit genaamd CAMK2B en onderdrukt het de activiteit ervan. Wanneer het griepvirus echter een cel infecteert, overspoelt het de omgeving met PA-RNA. Dit virale RNA concurreert met de instructies van het menselijke eiwit voor het microRNA, waardoor het de aandacht van het microRNA effectief steelt. Met het microRNA bezet door het virale RNA, wordt het menselijke CAMK2B-eiwit bevrijd van zijn onderdrukking en wordt het zeer actief. De onderzoekers toonden aan dat dit actieve CAMK2B-eiwit vervolgens een chemische tag, een fosfaatgroep, aan een viraal eiwit genaamd M1 bevestigt. Dit etiketteringsproces werkt als een sleutel, die de uitgang van de celkern ontgrendelt en het genetisch materiaal van het virus de kern laat verlaten om te assembleren tot nieuwe virussen. Zonder deze competitie repliceert het virus veel langzamer.

De onderzoekers bevestigden dit mechanisme door een versie van het griepvirus te creëren waarbij het PA-segment niet langer aan het microRNA kon binden. Wanneer dit gemodificeerde virus cellen infecteerde, slaagde het er niet in om het menselijke CAMK2B-eiwit effectief te activeren, en de capaciteit om te repliceren daalde aanzienlijk vergeleken met het wildtype-virus. Het team observeerde ook dat het virus een enorme overmaat aan zijn eigen RNA produceert in verhouding tot de hoeveelheid beschikbare microRNA; in hun experimenten was het virale RNA aanwezig in hoeveelheden die het mogelijk maakten om het menselijke genetische instructies effectief te overtroeven. Dit suggereert dat het virus niet zijn eigen eiwitten hoeft te muteren om efficiënter te worden; het overspoelt simpelweg het regulatiesysteem van de cel met pure volume.

Een vergelijkbare strategie werd waargenomen bij SARS-CoV-2, het virus dat verantwoordelijk is voor de wereldwijde pandemie. In dit geval gebruikt het virus een ander deel van zijn genetische code, specifiek de 3' untranslated region (3' UTR), om te concurreren voor een ander microRNA genaamd hsa-miR-1307-3p. Normaal gesproken houdt dit microRNA een menselijk eiwit genaamd CCZ1B in toom. Wanneer SARS-CoV-2 een cel infecteert, bindt de overvloedige 3' UTR RNA aan het microRNA, waardoor het microRNA wordt verhinderd om CCZ1B te onderdrukken. De resulterende toename in CCZ1B-activiteit helpt de cel om een menselijke receptor genaamd ACE2 van het binnenste van de cel naar het oppervlak te transporteren. Aangezien ACE2 de deur is waardoor SARS-CoV-2 de cel binnendringt, maakt het hebben van meer ervan op het oppervlak de cel veel vatbaarder voor infectie. De onderzoekers vonden dat wanneer zij het microRNA blokkeerden of de hoeveelheid viraal RNA verhoogden, de hoeveelheid ACE2 op het celoppervlak toenam, wat de virale entree vergemakkelijkte. Omgekeerd, wanneer zij de activiteit van CCZ1B verminderden, had het virus moeite om de cellen te infecteren.

De studie onderzocht ook hoe deze mechanismen verschillen in het gedrag van diverse stammen van deze virussen kunnen verklaren. De onderzoekers analyseerden de genetische sequenties van verschillende griepsubtypen en SARS-CoV-2-varianten om te zien of deze competitieve bindingsplaatsen behouden bleven. Ze vonden dat de bindingsplaatsen voor het griepvirus sterk geconserveerd waren in stammen die bekend staan om hoge replicatiesnelheden, zoals H1N1 en H7N9. Voor SARS-CoV-2 was de bindingsplaats aanwezig in eerdere varianten zoals Alpha, Beta en Gamma, evenals in de initiële Omicron-subvariant, maar het vertoonde mutaties of deleties in latere Omicron-subvarianten. Dit suggereert dat het virus mogelijk minder heeft geëvolueerd om te vertrouwen op dit specifieke mechanisme in nieuwere stammen, of dat andere factoren het overgenomen hebben. De onderzoekers merkten ook op dat terwijl de SARS-CoV-2 spike- en nucleocapside-eiwitten de inflammatoire signalen in de cel vonden te verhogen, de 3' UTR specifiek de toename van het CCZ1B-eiwit aanstuurde, wat benadrukt dat verschillende delen van de genetische code van het virus verschillende rollen spelen in het manipuleren van de gastheer.

Door deze interacties in kaart te brengen, boden de onderzoekers een kwantitatieve kijk op hoe de niveaus van viraal RNA de menselijke eiwitniveaus beïnvloeden. Ze toonden aan dat de relatie een voorspelbaar patroon volgt waarbij de hoeveelheid menselijk eiwit toeneemt naarmate de hoeveelheid viraal RNA toeneemt, maar niet in een eenvoudige rechte lijn. Deze wiskundige relatie helpt te verklaren waarom sommige virussen succesvoller zijn in hun replicatie dan andere; het gaat niet alleen om hoe goed het virus een cel bindt, maar hoe effectief zijn genetische materiaal het interne regulatienetwerk van de cel kan verstoren. De bevindingen suggereren dat de enorme omvang van het geproduceerde virale RNA tijdens een infectie een cruciale factor is in het vermogen van het virus om de gastheer te manipuleren. Deze competitie voor microRNA's lijkt een wijdverspreide strategie te zijn die respiratoire virussen gebruiken om de eigen verdedigingsmechanismen van de gastheer om te vormen tot instrumenten voor hun eigen replicatie.

De implicaties van deze ontdekking reiken verder dan het begrijpen van hoe deze specifieke virussen werken. De onderzoekers identificeerden dat dit competitieve mechanisme niet beperkt is tot slechts één of twee genen, maar waarschijnlijk betrokken is bij een netwerk van interacties tussen viraal RNA, microRNA's en tientallen menselijke eiwitten. Ze visualiseerden deze verbindingen en ontdekten dat veel menselijke factoren die virussen helpen repliceren, waarschijnlijk worden gereguleerd door ditzelfde "spons"-effect. Dit betekent dat het virus niet slechts een passieve passagier in de cel is, maar een actieve manipulator die het cellulaire milieu hervormt door het te overstromen met zijn eigen genetische instructies. De studie wijst ook erop dat mutaties in de niet-coderende regio's van het virus, die de virale eiwitten zelf niet veranderen, nog steeds de capaciteit van het virus om te infecteren en te verspreiden drastisch kunnen veranderen door de manier waarop het concurreert voor deze microRNA's te wijzigen. Dit biedt een nieuw perspectief op hoe virale stammen evolueren en waarom sommige infectieuzer worden dan andere.

Uiteindelijk biedt het onderzoek een duidelijker beeld van de moleculaire touwtrekkerij die plaatsvindt wanneer een respiratoir virus een menselijke cel infecteert. Het laat zien dat het virus niet alleen wint door zijn eigen onderdelen te bouwen, maar door het vermogen van de cel te verzwakken om haar eigen onderdelen te reguleren. Het virale RNA fungeert als een competitieve agent, die de kleine regulerende moleculen die anders de machinerie van de cel in toom zouden houden, wegkaapt. Dit laat de eigen eiwitten van de cel, die het virus nodig heeft voor zijn eigen replicatie, vrij om op hoge niveaus te functioneren. De studie bevestigt dat dit mechanisme een fundamenteel onderdeel is van hoe deze virussen opereren, wat een nieuw perspectief biedt voor het begrijpen van virale pathogenese en het potentieel identificeren van nieuwe manieren om de infectiecyclus te verstoren door deze specifieke interacties tussen viraal en menselijk RNA te targeten.