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

Virussen worden vaak beschouwd als eenvoudige indringers, maar het menselijk immunodeficiëntievirus, bekend als HIV-1, draagt een complexe set instructies in zijn genetisch materiaal. Dit materiaal is een streng RNA, die zowel fungeert als een blauwdruk voor het maken van nieuwe virusdeeltjes als een set instructies voor de eigen machinerie van het virus. Een cruciaal probleem voor het virus is dat deze enkele streng RNA twee zeer verschillende taken tegelijkertijd moet uitvoeren. Het moet worden gekopieerd naar DNA om zich in een menselijke cel te verstoppen, en het moet ook door de cel worden afgelezen om de eiwitten te maken die het virus opbouwen. Om dit op te lossen, vertrouwt het virus op een specifiek startpunt waar het kopieerproces begint. In het wildtype-virus is dit startpunt een sequentie van drie identieke bouwstenen, die allemaal van een type genaamd guanine zijn. Het virus heeft een slimme truc ontwikkeld: als het kopiëren begint bij de allereerste van deze drie blokken, is het resulterende RNA slap en flexibel, wat perfect is om te worden afgelezen en om te worden omgezet in eiwitten. Als het kopiëren begint bij het derde blok, vouwt het RNA zich tot een strakke, stabiele structuur die ideaal is om in nieuwe virusdeeltjes te worden verpakt. Dit structurele verschil bepaalt of het RNA een werker of een passagier wordt.

Echter, de natuur is zelden perfect. Wanneer het virus een nieuwe cel infecteert, maakt de kopieermachinerie soms fouten, waarbij het een van die drie startblokken verandert in iets anders, zoals een cytosine of een uracil. Een lange tijd wisten wetenschappers niet wat er met deze gemuteerde versies gebeurde. Faalde het virus simpelweg om zich voort te planten? Of vond het een manier om zich aan te passen, bijvoorbeeld door het kopieerproces op een andere plek te laten beginnen om de fout te compenseren? Het begrijpen hiervan is essentieel, want als het virus gemakkelijk kan adapteren aan deze veranderingen, wordt het veel moeilder om te stoppen. Een team onderzoekers in Japan besloot dit mysterie op te lossen door kleine, kunstmatige modellen van deze gemuteerde RNA-strengen te bouwen om te zien hoe ze op zichzelf zouden reageren.

De onderzoekers begonnen met het creëren van vier verschillende versies van de RNA-streng in het laboratorium. Ze ontwierpen één versie die begon bij het tweede blok maar een mutatie had op het derde, en een andere die begon bij het eerste blok met een mutatie op het derde. Ze maakten ook versies met een ander type mutatie om te zien of het resultaat hetzelfde was. Zodra deze strengen waren gebouwd, moesten de wetenschappers kijken hoe ze zich vouwden. Ze gebruikten een techniek genaamd gel-elektroforese, wat in essentie een race door een gelatineuze doolhof is. In deze race bewegen compact gevouwen, dichte moleculen snel, terwijl losse, slappe moleculen blijven steken en langzaam bewegen. Het team liep de race twee keer: één keer in een normale omgeving en één keer in een harde omgeving vol met een chemische stof die moleculen dwingt om uit te vouwen.

De resultaten onthulden een duidelijk patroon. De RNA-strengen die bij het tweede blok begonnen, zelfs met de mutaties, gedroegen zich precies als de succesvolle, stabiele passagiers-RNA. Ze vouwden zich tot strakke, compacte vormen die hun vorm behielden, zelfs wanneer de harde chemische stof probeerde ze uit elkaar te trekken. In tegen afstelling daarentegen bleven de strengen die bij het eerste blok begonnen los en slap, en gedroegen ze zich als de werker-RNA die bedoeld is voor het maken van eiwitten. Om dit te bevestigen, maten de onderzoekers de temperatuur waarbij deze strengen uit elkaar vielen. De stabiele strengen hielden stand tot de temperatuur ongeveer 60 graden Celsius bereikte, terwijl de slappe strengen bij veel lagere temperaturen uit elkaar vielen. Dit bevestigde dat de mutaties de bekwaamheid van het virus om stabiel genetisch materiaal te maken niet braken; in plaats daarvan verschoof het virus simpelweg zijn startpunt naar het tweede blok om de noodzakelijke structuur te behouden.

Om precies te zien hoe deze stabiele vormen eruitzagen, gebruikte het team een krachtige beeldvormingsmethode genaamd kernspinresonantie, waarmee wetenschappers de positie van elk atoom in een molecuul kunnen in kaart brengen. Ze bouwden een driedimensionaal model van de stabiele RNA-strengen en ontdekten dat de twee hoofdsecties van het molecuul verbonden waren in een continue, stevige steel. Deze structuur is precies wat het virus nodig heeft om in een nieuw deeltje te worden verpakt. Vervolgens draaiden ze computersimulaties om te kijken hoe deze structuren in de loop van de tijd bewogen. Zelfs na het simuleren van 200 nanoseconden aan beweging, behielden de stabiele strengen hun vorm, wat bewees dat de verbinding tussen de twee secties sterk en betrouwbaar was.

De studie suggereert dat wanneer het virus een mutatie tegenkomt bij zijn startpunt, het een ingebouwd back-upplan heeft. In plaats van te falen, verschuift het de start van het kopieerproces naar het tweede blok. Deze verschuiving zorgt ervoor dat het RNA kan vouwen in de strakke, stabiele structuur die vereist is om het genetisch materiaal van een nieuw virus te worden. De onderzoekers merkten ook op dat hoewel deze stabiele strengen worden gevormd, zij niet de enigen zijn die worden geproduceerd; het virus maakt waarschijnlijk een mix van zowel stabiele als slappe strengen. Deze flexibiliteit kan verklaren waarom het virus kan overleven en zich kan verspreiden, zelfs wanneer zijn startinstructies imperfect zijn. Door te begrijpen hoe het virus zijn structuur aanpast aan deze fouten, krijgen wetenschappers een duidelijker beeld van de veerkracht van het virus en de specifieke fysieke regels die het volgt om te overleven.