Eine neue Studie beschreibt, wie sich die Funktion der RNA in Zellen verändert, die mit SARS-CoV-2, dem COVID-19-Virus, infiziert sind. Die Ergebnisse liefern Hinweise darauf, wie verschiedene Varianten dem Immunsystem entkommen können, und dienen als Grundlage für die Entwicklung neuartiger Therapien.
Wissenschaftler haben erstmals gezeigt, dass eine Infektion mit SARS-CoV-2, dem Virus, das COVID-19 verursacht, die Funktion der RNA der Wirtszelle verändert. Die Forscher der Bundesuniversität São Paulo (UNIFESP) in Brasilien kamen zu diesem Schluss, indem sie 13 Datensätze analysierten, die in vier Studien mit viraler, menschlicher und tierischer Zell-RNA gewonnen wurden.
Die jüngste Studie, über die in einem in der Zeitschrift Frontiers in Cellular and Infection Microbiology veröffentlichten Artikel berichtet wurde, untersuchte das Epitranskriptom von Vero-Zellen (aus Affen stammend) und menschlichen Calu-3-Zellen durch direkte RNA-Sequenzierung. Ein Epitranskriptom ist die Sammlung biochemischer Modifikationen der Zell-RNA, wie z. B. Methylierung.
„Unser erstes wichtiges Ergebnis dieser Studie war, dass eine Infektion mit SARS-CoV-2 den m6a-Spiegel erhöht [N6-methyladenosine], eine Art der Methylierung, in Wirtszellen im Vergleich zu nicht infizierten Zellen“, sagte Marcelo Briones, letzter Autor des Artikels, gegenüber Agência FAPESP. Briones ist Professor an der Medical School (EPM) von UNIFESP und ein Forscher, der mit dem Center for Medical Bioinformatics verbunden ist.
Methylierung ist eine biochemische Modifikation, bei der einem Substrat eine Methylgruppe hinzugefügt wird. Es tritt in Zellen durch die Wirkung von Enzymen auf, die in der Lage sind, einen Teil eines Moleküls auf ein anderes zu übertragen. Dies verändert das Verhalten von Proteinen, Enzymen, Hormonen und Genen. Die Forscher demonstrierten Veränderungen der RNA infizierter Zellen quantitativ, indem sie alle in den Zellen vorhandenen RNAs analysierten, und qualitativ, indem sie auf einer Karte die Anzahl der Methylierungen pro Region in den Nukleotiden lokalisierten.
Die Studie war eine Fortsetzung einer früheren 2021 veröffentlichten Genomanalyse, in der die Forscher das Methylierungsmuster in SARS-CoV-2 analysierten.
„Methylierung hat bei Viren zwei Funktionen. Es reguliert die Proteinexpression und verteidigt das Virus gegen die Wirkung von Interferon, einer starken antiviralen Substanz, die vom Wirtsorganismus produziert wird“, sagte Briones.
In beiden Studien analysierten die Forscher m6a, da es die häufigste Art der RNA-Nukleotidmodifikation ist und an mehreren wichtigen Prozessen beteiligt ist, wie der intrazellulären Lokalisierung und der Proteintranslation. RNA-Nukleotide enthalten stickstoffhaltige Basen (Adenin, Guanin, Uracil oder Cytosin), die entlang eines Einzelstrangs verlaufen. Das Team entdeckte auch, dass verschiedene Virusstämme Variationen in den Sequenzen stickstoffhaltiger Basen in ihren Nukleotiden aufwiesen. „Einige Stämme können viel stärker methyliert sein als andere. Wenn dies der Fall ist, können sie sich in Wirtszellen besser vermehren“, sagte Briones.
Sie fanden auch heraus, dass Nukleotidsequenzen, die als m6a DRACH-Motive bekannt sind, in SARS-CoV-2 und in Zellen leicht unterschiedlich waren. In diesem in der Epigenetik häufig verwendeten Akronym steht der Buchstabe D für Adenin, Guanin oder Uracil; R für Adenin oder Guanin; A für den methylierten Rest; C für Cytosin; und H für Adenin, Cytosin oder Uracil.
Das Virus verwendet Zellenzyme für seine eigene Methylierung, wodurch ein evolutionärer Druck zur Anpassung viraler DRACH-Sequenzen entsteht, sodass sie Zellsequenzen ähnlicher werden. Die Virenstämme, die sich am besten anpassen, können Interferon erfolgreicher entkommen.
Nach Abschluss ihrer Untersuchung, wie SARS-CoV-2 m6A in Wirtszellen modifiziert, wird der nächste Schritt der Wissenschaftler darin bestehen, die gespeicherten Daten auf der Suche nach einer Korrelation zwischen dem Grad der viralen RNA-Methylierung und der Anzahl der aus jeder infizierten Zelle freigesetzten Viren zu analysieren. bekannt als virale Burst-Größe.
„Je stärker die Viren methyliert sind, desto mehr wachsen sie im Zytoplasma der Zelle und desto größer ist die Ausbruchsgröße“, erklärte Briones. Unter normalen Bedingungen, ohne Stimuli, repliziert sich ein Viruspartikel tausendmal. „Die Ergebnisse ebnen den Weg für neuartige Behandlungen von COVID-19 und die Umnutzung bekannter Medikamente.“ Sie bieten auch Elemente für ein tieferes Verständnis dafür, wie Virusstämme dem Immunsystem entkommen.
Methodik
Die in der Studie verwendete direkte Nanopore-RNA-Sequenzierungsmethode (Oxford Nanopore Technologies) hat laut den Forschern mehrere Vorteile. Einer davon ist, dass es auf die Modifikationen verzichtet, die das herkömmliche Verfahren (Reverse Transkription Polymerase Chain Reaction, oder RT-PCR) zum Ablesen des RNA-Strangs erfordert.
Um ein Virus mittels RT-PCR zu untersuchen, müssen Wissenschaftler zunächst seine RNA in DNA umwandeln (reverse Transkription). Das Ergebnis ist cDNA, wobei das „c“ für komplementär steht. Dies liegt daran, dass nur DNA (die doppelsträngig ist) kopiert werden kann. Die cDNA wird dann amplifiziert, indem sie hunderttausendfach kopiert wird, wodurch Milliarden von Klonen erstellt werden, sodass anstelle einer winzigen Menge genügend der Zielabschnitte der viralen DNA für die Analyse verfügbar sind.
Bei Briones könnten Forscher durch Verzerrungen verwirrt sein, die sich aus der Produktion viraler Sequenzen aus cDNA ergeben. „Einige Wissenschaftler glauben, dass Nukleotide aufgrund des Vorhandenseins epigenetisch modifizierter Basen vertauscht werden. Dies muss systematisch untersucht werden“, sagte er.
Die Zunahme der Zellmethylierung wurde durch zwei m6A-Nachweisprogramme kartiert. Eines davon (m6anet) verwendete eine maschinelle Lerntechnik namens Multiple Instance Learning (MIL). Die andere (EpiNano) validierte die Ergebnisse mit einer Technik namens Support Vector Machine (SVM).
Referenz: „Das durch direkte RNA-Sequenzierung bewertete Epitranskriptom von Vero-Zellen, die mit SARS-CoV-2 infiziert sind, zeigt m6A-Musteränderungen und Verzerrungen des DRACH-Motivs in viralen und zellulären RNAs“ von João HC Campos, Gustavo V. Alves, Juliana T. Maricato, Carla T. Braconi, Fernando M. Antoneli, Luiz Mario R. Janini und Marcelo RS Briones, 16. August 2022, Frontiers in Cellular and Infection Microbiology.
DOI: 10.3389/fcimb.2022.906578
Die Studie war Teil eines thematischen Projekts („Untersuchung von induzierten Wirtselementen als Reaktion auf die Immunisierung mit ChAdOx1 nCOV-19-Impfstoff in einer klinischen Phase-III-Studie“), dessen Hauptforscher Luiz Mário Janini, vorletzter Autor des Artikels, ist.
Zum Forschungsteam gehörten auch Juliana Maricato, Carla Braconi, Fernando Antoneli, João HC Campos, Erstautor des Artikels, unterstützt durch ein Postdoktorandenstipendium von FAPESP, und Gustavo V. Alves, Zweitautor und Student in Gesundheitsinformationstechnologie.