Studie zeigt, dass SARS-CoV-2 die RNA in infizierten Zellen verändert

Wissenschaftler der Bundesuniversität São Paulo (UNIFESP) in Brasilien haben erstmals gezeigt, dass eine Infektion mit SARS-CoV-2, dem Virus, das COVID-19 verursacht, die Funktion der Wirtszell-RNA verändert. Sie kamen zu dieser Schlussfolgerung, indem sie 13 Datensätze analysierten, die in vier Studien mit viraler, menschlicher und tierischer Zell-RNA gewonnen wurden.

Die neueste Studie, über die in einem Artikel berichtet wurde, der in veröffentlicht wurde Grenzen in der Zell- und Infektionsmikrobiologieuntersuchten 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.

„Unsere erste wichtige Erkenntnis in 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 der Agência FAPESP. Briones ist Professor an der Medizinischen Fakultät (EPM) von UNIFESP und ein Forscher, der mit ihrem Zentrum für Medizin verbunden ist Bioinformatik.

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. Dadurch verändert sich 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. Sie reguliert die Proteinexpression und verteidigt das Virus gegen die Wirkung von Interferon, einer potenten 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 sind möglicherweise viel stärker methyliert 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 ausgetauscht 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).