Bitka za RNA-vezavne proteine med virusom in okuženo celico

Uvod

Kot vemo, virusi za izražanje svojih genov in razmnoževanje potrebujejo gostiteljsko celico, kjer prevzamejo nadzor nad izražanjem genov, da omogočijo lastno razmnoževanje. Ključno vlogo pri tem igrajo RNA-vezavni proteini (ang. RBP - RNA binding protein), ki uravnavajo procese, kot so izrezovanje, stabilnost, transport in translacija, skratka ta vezava v ribonukleoproteinske (RNP) komplekse določa usodo RNA. Med okužbo virusni proteini motijo te procese in izkoriščajo celične strukture za svojo replikacijo.

Elementi na RNA

Eden izmed načinov, kako virusi vplivajo na izražanje genov je razgradnja RNA. Njihove endonukleaze selektivno cepijo RNA, pri čemer prepoznavajo določena zaporedja na RNA. RNA pa vsebuje tudi elemente, ki delujejo kot zaščita proti virusni razgradnji.

Tako na primer pri okužbi s KSHV (Kaposi Sarcoma-Associated Herpesvirus) virusna endonukleaza SOX sproži obsežno razgradnjo gostiteljske mRNA, vendar niso vsi transkripti enako občutljivi na njeno delovanje. Nekateri, kot je mRNA za interlevkin-6, vsebujejo približno 200 nukleotidov obsegajoč zaščitni element (SRE - SOX Resistant Element), ki se oblikuje v strukturo steblo-zanke, kamor se vežejo RBP-ji in skupaj preprečijo razgradnjo mRNA. SRE je dominanten v primerjavi z tarčnim motivom za endonukleazo, kar pomeni, da transkripti, ki vsebujejo oba nasprotujoča si elementa, ne bodo podlegli razgradnji. Stabilnost RNA pa je rezultat ravnotežja med tarčnimi in zaščitnimi elementi.

Dvojna vloga RBP-jev

Virusi so se zaradi evolucijskega pritiska prilagodili tako, da posnemajo lastnosti gostiteljskih mRNA, kar jim omogoča učinkovito izkoriščanje celičnih virov in izogibanje imunskemu prepoznavanju. S tem lažje prevzamejo gostiteljske RNA-vezavne proteine (RBP) in tvorijo RNP komplekse, podobne celičnim. Vendar pa ta strategija ni vedno v korist virusa, saj imajo nekateri RBP-ji tudi protivirusno vlogo preko zaviranja izražanja virusnih genov ali pa spodbujajo razgradnjo virusnih proteinov preko avtofagije. Tako imajo RBP-ji dvojno funkcijo in pomembno vplivajo na izid okužbe.

Dinamika RBP

Poleg tega je usoda RNA tesno povezana z njeno lokalizacijo v celici, ki jo prav tako uravnavajo RBP-ji. Med virusno okužbo virusne RNA tekmujejo z gostiteljskimi za celične vire, pri čemer virusi pogosto spremenijo lokalizacijo in funkcijo RBP-jev. Ob obsežni razgradnji gostiteljske RNA se številni RBP-ji sprostijo in premaknejo, pogosto nazaj v jedro, kar lahko služi kot signal o stanju RNA v citoplazmi in vpliva na transkripcijo. Hkrati pride do preoblikovanja interaktoma RBP-jev: ključni regulatorji izražanja genov se prerazporedijo v virusne replikacijske centre, kjer sodelujejo z virusno RNA in verjetno prispevajo k njeni replikaciji. Kljub tem ugotovitvam ostaja veliko nejasnosti glede mehanizmov, ki uravnavajo premikanje RBP-jev in spremembe njihovih funkcij med okužbo. Razumevanje teh procesov je ključno za razjasnitev kompleksnih interakcij med RNA in proteini ter za razvoj novih protivirusnih strategij.

Transport iz jedra

Eden najbolj ključnih mehanizmov v poti sinteze proteinov in zorenja mRNA je prehod oz. transport mRNA iz jedra preko jedrne pore v citoplazmo. To poteka s pomočjo transportnih proteinov, ki skupaj z mRNA tvorijo mRNP komplekse. Ti potem lahko prehajajo jedrno ovojnico. Obstajata dve glavni poti, po katerih se zgodi prenos genskega materiala v citoplazmo celice. Prva je preko NXF1 proteina, ki izvaža večino mRNA in to predvsem že zrele mRNA, medtem ko je druga pot malce bolj specializirana, selektivna, in sicer preko CRM1 proteina, ki izvaža specifične mRNP komplekse in pogostokrat tudi virusne RNA. Virusi ciljajo mehanizme jedrnega transporta iz celice, saj s tem dosežejo manj gostiteljeve genske ekspresije, več svoje in tako blažijo antivirusne odzive.

Primeri virusov, ki delujejo na podoben princip, so Hepatitis B Virus (HBV), ki s svojim jedrnim proteinom HBc interagira z NXF1 in tvori kompleks, ki pospešuje izvoz virusnih transkriptov iz jedra gostitelja celice. Drugi je s Kaposijevim sarkomom povezan herpesvirus (ang. Kaposi Sarcoma-Associated Herpesvirus – KSHV), kjer pride do blokade jedrnih por. Virusni protein ORF10 se veže na izvozni faktor Rae1 in jedrni porni protein Nup98, kar povzroči nepopolno, selektivno blokado celične mRNA preko jedrne ovojnice. ORF10 namreč prepozna specifičen element v 3'-UTR regiji na mRNA in tako inhibira izvoz [4]. Zadnji primer je virus mišje levkemije (ang. Murine Leukemia Virus – MLV), ki se poslužuje obeh omenjenih poti transporta; z NXF1 povezan transport indicira nadaljnjo translacijo v citoplazmi, medtem ko s CRM1 povezan transport pomeni signal, da se virusna RNA začne pakirati oz. kompaktirati znotraj celice.

RNA granule

RNA granule so dinamični biomolekularni kondenzati RNA in proteinov, ki se nahajajo znotraj citoplazme. Obstajata dve različni vrsti teh granul, to so procesna telesca (P-telesca) in stresne granule (SG). Pri P-telescih so pomembni sodelujoči RNA-vezavni proteini kot na primer RNA helikaza DDX6, ki zavira translacijo mRNA in pomaga pri razgradnji le-te, DCP1 in DCP2, ki odstranjujeta 5' kapo mRNA in omogočata njeno razgradnjo. Pri stresnih granulah pa so prisotni proteini G3BP1, G3BP2, ki povezujejo stresno granulo kot celoto, in razni translacijski faktorji. Glavna funkcija procesnih telesc je torej mRNA razgradnja, represija translacije in utišanje mRNA, lahko pa tudi začasno zajamejo transkripte in tako varčujejo z energijo. Na drugi strani pa stresne granule nastanejo predvsem kot odziv na stres, najpogosteje kot posledica inhibicije iniciacije translacije, ali virusno okužbo, kajti njihova indukcija upočasni virusno translacijo in okrepi imunski odziv.

Cilj virusov je kontrolirati RNA-vezavne proteine P-telesc, saj si tako podvržejo nadzor nad regulacijo mRNA in translacijo. Enterovirus 71 (EV71) tako povzroči uničenje ali bolje reprogramiranje P-telesc in blokira nastanek novih. Pomembno vlogo zopet igra DDX6, ki omogoča boljšo replikacijo in transkripcijo virusnega genoma. Proteaza 2C virusa EV71 omogoča interakcijo med gostiteljevimi RNA-vezavnimi proteini in svojo virusno mRNA za povečano ekspresijo virusnih genov, hkrati pa vodi do zaustavitve nastanka procesnih telesc.

P-telesca ob virusni okužbi

V normalnem stanju obstajata dve metodi razgradnje P-telesc. Lahko pride do izgube ključnih proteinov ali pa aktiviran/fosforiliran mikroprotein NBDY poruši elektrostatske interakcije v strukturi. Ko se P-telesca razgradijo, se sprostijo encimi za odstranjevanje kape na 5' koncu in endonukleaze. To lahko vodi v zmanjšanje prevajanja. Ob virusni okužbi pa ima vlogo pri razgradnji protein SHFL. SHFL je antivrusni protein in spada med RBP-je. Nahaja se v P-telescih, povečana koncentracija pa naj bi vodila v razgradnjo P-telesc. Ob tem naj bi se sprostila ARE-mRNA, saj raziskave kažejo, da se ob zmanjšanju števila P-telesc poveča število ARE-mRNA. ARE-mRNA so mRNA, ki so na 3' koncu bogate z A in U. Te mRNA pogosto kodirajo citokine in kemokine, ki so ključni za imunski odziv celice.

Vpliv virusov na stresne granule

Ključen gradbeni element stresnih granul je protein G3BP1/G3BP2. G3BP1 pomaga aktivirati RIG-I signalno pot. To vodi do aktivacije IRF3, kar poveča izražanje gena IFN-β, ki je ključni protivirusni signal [2]. Navadno G3BP1 pomaga aktivirati RIG-I signalno pot, virus pa zmanjša to aktivnost. Virusi lahko »ukradejo« te ključne proteine in tako preprečijo nastanek stresnih granul. Primer takšnega virusnega proteina je NP (nukleokapsidni protein), ki nase veže G3BP1 ter tako prepreči normalno agregacijo stresnih granul ali razstavi že nastale granule [3]. Ker se stresne granule ne morejo tvoriti, celica ne more ustaviti translacije in virus se hitreje razmnožuje. Pri okužbi virusi uničijo stresne granule tako, da s proteazo razcepijo G3BP1. Raziskovalci so zato ustvarili mutirano obliko G3BP1, ki se ne more razcepiti in dokazali, da v takšnem primeru stresne granule ostanejo stabilne, število virusnih RNA pa upade.

Kljub temu pa je pri nekaterih virusih G3BP1 nujen za replikacijo, saj pomaga pri vezavi ribosomov na virusno RNA in tvorbi polisomov. Tako gostitelj in virus tekmujeta za iste RBP (G3BP1). V takšnem primeru se zmanjša prevajanje virusne RNA, če G3BP1 odstranimo oziroma zmanjšamo.

Na splošno P-telesca in stresne granule predstavljajo dinamično okolje, kjer se prepletajo provirusni in antivirusni mehanizmi. Njihova funkcija ni enoznačna, temveč je odvisna od tipa virusa, faze okužbe in celičnega konteksta.

Zaključek

RBP sodelujejo pri procesiranju, transportu in prevajanju RNA, zato so glavna tarča virusov. mRNP kompleksi sodelujejo pri stabilizaciji, prevajanju in razgradnji ter tako omogočajo natančen nadzor nad izražanjem genov. Virusna okužba lahko te procese zmoti, kar lahko vodi do izgube pomembnih genetskih informacij, nepravilnega izražanja genov in celo celične smrti. Posebej pomembna kontrolna točka je transport RNA iz jedra, saj lahko njegov nadzor bistveno vpliva na potek okužbe. Če je ta kontroliran s strani celice, okužba ostane omejena, drugače se virus učinkovito razmnožuje. Pomembno vlogo imajo tudi P-telesca in stresne granule, ki z uravnavanjem RNA vplivajo na količino proizvedenih virusnih proteinov.

Za nadaljnje raziskave ostaja še veliko vprašanj. Ni še jasno, kateri celični dejavniki sodelujejo pri komunikaciji med celičnimi kompartmenti med okužbo. Nadaljnje raziskave interakcij med RNA in proteini so ključne za razumevanje spremembe v izražanju RBP in njihove večfunkcionalnosti. Prav tako je treba bolje raziskati vpliv virusov na RNA granule in vlogo gostitelja pri omejevanju okužbe. To znanje bi lahko omogočilo razvoj novih protivirusnih terapij.

Viri

[1] Bermudez Y, Hatfield D, Muller M. A Balancing Act: The Viral-Host Battle over RNA Binding Proteins. Viruses. 2024 Mar 20;16(3):474. doi: 10.3390/v16030474. PMID: 38543839; PMCID: PMC10974049.

[2] Yang, W.; Ru, Y.; Ren, J.; Bai, J.; Wei, J.; Fu, S.; Liu, X.; Li, D.; Zheng, H. G3BP1 inhibits RNA virus replication by positively regulating RIG-I-mediated cellular antiviral response. Cell Death Dis. 2019, 10, 946. DOI: https://doi.org/10.1038/s41419-019-2178-9

[3] Liu H, Bai Y, Zhang X, Gao T, Liu Y, Li E, Wang X, Cao Z, Zhu L, Dong Q, Hu Y, Wang G, Song C, Niu X, Zheng T, Wang D, Liu Z, Jin Y, Li P, Bian X, Cao C, Liu X. SARS-CoV-2 N Protein Antagonizes Stress Granule Assembly and IFN Production by Interacting with G3BPs to Facilitate Viral Replication. J Virol. 2022 Jun 22;96(12):e0041222. doi: 10.1128/jvi.00412-22. Epub 2022 Jun 2. PMID: 35652658; PMCID: PMC9215227.

[4] D. Gong, Y. H. Kim, Y. Xiao, Y. Du, Y. Xie, K. K. Lee, J. Feng, N. Farhat, D. Zhao, S. Shu idr.: A Herpesvirus Protein Selectively Inhibits Cellular mRNA Nuclear Export. Cell Host & Microbe 2016, 20, 642–653. DOI: 10.1016/j.chom.2016.10.004