Nekodirajoče RNA in SARS-koronavirusi

Uvod

Veliko je bilo povedanega o tem, kako določeni proteini vplivajo na replikacijo koronavirusov in njihovo uspešnost. Tokrat pa se bomo osredotočili na vlogo nekaterih nekodirajočih RNA molekul, ki na različne načine vplivajo na replikacijo in širitev virusa.

RNA-interferenca

Nekodirajoče RNA so molekule RNA, ki se prepišejo iz DNA, a se ne prevedejo v protein. Mednje spadajo tudi mikro RNA (miRNA, enojna veriga RNA, 19-25 nukleotidov), in male interferenčne RNA (siRNA, dvojna veriga RNA, 20-27 nukleotidov), ki imajo pomembno vlogo pri procesu RNA-interferenca (RNAi) [miRNA].

RNAi je mehanizem imunskega sistema, kjer kompleks RISC (z RNA spodbujeni kompleks za utišanje (genov)) z vezano zrelo miRNA ali siRNA, ki deluje kot matrica, onemogoči translacijo tarčne mRNA. To se lahko zgodi na dva načina, ki sta odvisna od stopnje komplementarnosti med miRNA/siRNA in tarčno mRNA. Če sta si zaporedji popolnoma komplementarni (kar je pri siRNA in redko pri miRNA), pride do cepitve in posledično razgradnje mRNA. Ko pa si zaporedji nista popolnoma komplementarni, kar se zgodi v večini primerov miRNA, pride do inhibicije translacije ali tudi pospešitve razgradnje mRNA.

Ugotovili so, da se ljudje proti koronavirusom, poleg imunskega odgovora z interferoni, branimo tudi z omenjeno RNA-interferenco, natančneje s kompleksi RISC z miRNA, ki se vežejo večinoma na vezavna mesta na 3' in 5' neprevedenih regijah (UTR) virusnega genoma ali mRNA virusnih proteinov.

Človeške miRNA, ki se vežejo na genom SARS-CoV-2

Skupina raziskovalcev je in silico odkrila deset človeških miRNA, ki imajo potencialna vezavna mesta na genomu SARS-CoV-2 in se izražajo v tarčnih celicah virusa. Na treh vezavnih mestih so se že pojavile mutacije, zaradi katerih se miRNA ne morejo več vezati. Iz tega lahko sklepamo, da je virus, ki z mutacijo onemogoči vezavo neke miRNA, uspešnejši in ima zato evolucijsko prednost.

Izogibanje delovanja RNA-interference na UTR

Virusi se hočejo izogniti gostiteljevem uničenju in eden od načinov je, da uporabijo gostiteljeve RNA vezavne proteine (RBP), ki se lahko vežejo na 3' ali 5' UTR regijo in stabilizirajo virusno RNA/mRNA ali pa onemogočijo vezavo miRNA. Podrobneje si bomo pogledali nekaj primerov za genom SARS-CoV-2 in določene miRNA in RBP.

Prvi primer je del na 3' UTR, ki je vezavno mesto za miR-34b-5p in tudi za RNA vezavni protein RBMS3. Na tem mestu do zdaj ni bilo najdene mutacije, zato gre očitno za tekmovanje med obema molekula, kjer pa je najverjetneje uspešnejši RBMS3 in prepreči vezavo miRNA. Drugi primer je del na 3' UTR, kjer je bilo vezavno mesto za miR-9-5p in protein HNRNPA1, vendar je mutacija onemogočila vezavo miRNA, na vezavo proteina pa ni vplivala.

Še en način, s katerim si je virus z mutacijo povečal možnost replikacije, je, da se je ustvarilo vezavno mesto za RBP, ki ga pred mutacijo ni bilo. Primer tega je del na 5' UTR, kjer je z zamenjavo nukleotida na mestu 241 prišlo do nastanka vezavnega mesta za protein TARDBP, ki olajša translacijo.

Torej mutacije na delih UTR imajo lahko vpliv na fitnes virusa, saj lahko spremenijo ali naredijo nova vezavna mesta za RBP ali miRNA, kjer nastanek novega vezavnega mesta za miRNA gostitelja pomeni povečanje uspešnosti RNAi in oslabljeno replikacijo virusa, medtem ko nastanek vezavnega mesta za RBP poveča uspešnost replikacije virusa.

Faktorji, ki vplivajo na patogenost virusa

Mutacije

Mutacije v virusnem genomu imajo ključno vlogo pri patogenosti, npr. lahko se spremeni sekundarna struktura RNA, nastanejo nova vezavna mesta za miRNA itd. Mutacije ne smejo biti škodljive, sicer se virus ne bi širil in se ta mutacija ne bi ohranila. Virusi lahko z mutacijami izgubijo vezavno mesto za miRNA (miR-197-5p). Tako se lahko tak virus izogne imunskemu odgovoru. SARS-CoV-2 ima sicer eksonukleazo nsp14 v RDRP kompleksu, kar zmanjšuje pogostost mutacij.

Vpliv gostiteljevega izražanja miRNA na patogenost

Poleg celičnih proteinov vplivajo na dovzetnost za okužbo tudi vzorci izražanja miRNA. Vsi najpomembnejši proteini za invazijo celice (ACE2, TMPRSS2 in ADAM17, furin) so do neke mere pod vplivom miRNA-jev. Pri starejših pacientih so opazili nizek nivo izražanja miRNA, kar korelira s povišanim tveganjem za hujši potek bolezni.

Za lizin specifična demetilaza 5B (JARID1B) negativno deluje na delovanje miRNA, ki vplivajo na ACE2 in TMPRSS2. Ta dva proteina se brez JARID1B ne moreta prepisovati. Odkrili so, da celice človeškega respiratornega epitelija te 3 proteine izražajo v veliki meri. Nekatere miRNA (npr. Let-7a-g/i) regulirajo hormoni (v tem primeru estradiol). Poleg tega so odkrili, da vse miRNA-je let-7 družine negativno regulirajo androgeni – to bi lahko bil razlog, zakaj je potek Covid-19 malo hujši pri moških osebkih. Na nekatere miRNA vplivajo lahko tudi nekateri vitamini, npr. na miR-145 pozitivno vpliva vitamin D, kar lahko razloži hujši potek bolezni ob pomanjkanju vitamina D.

Virusna indukcija sprememb transkriptoma pri gostitelju

Med okužbo se v celici zaradi imunskega odgovora malo spremenijo vzorci izražanja, vključno z izražanjem miRNA in lnc RNA. Poleg tega lahko virus vpliva na izražanje miRNA z vezavo ali uničenjem, kar olajša razmnoževanje in širitev virusa. Virus pa lahko sintetizira svoje miRNA, ki zavirajo gostiteljev imunski odgovor in poveča svojo patogenost. Virus tudi spremeni vzorce izražanja siRNA in si lahko ustvari siRNA-je, nekatere protivirusne, nekatere pa so za virus koristne.

• Virusna indukcija sprememb izražanja miRNA

Ugotovili so, da bi nekatere miRNA-je lahko uporabili kot biomarkerje za diagnozo nekaterih bolezni, lahko pa tudi za potek. Poleg tega bi lahko usmerili določene miRNA-je proti inhibitorjem vnetnih citokinov, kjer bi z vezavo na inhibitorje inaktivirali in bi tako spodbudili delovanje proinflamatornih citokinov.

• Izražanje virusnih miRNA, ki so podobne človeškim

Virusi lahko miRNA izražajo sami, s čimer lahko onesposobijo imunski odziv in/ali ustvarijo okolje, ugodno za virus. Odkrili so 7 zaporedij v SARS-CoV-2 genomu, ki so identična miRNA pri človeku. Več teh je povezanih s TGF-β signalno potjo, nekaj pa jih sodeluje pri glikozilaciji proteinov. miR-8066 vpliva na glikozilacijo proteina bodice, ki je pomembna pri vstopu virusa v celico. miR-3934-3p povezujejo s sintezo heparan sulfata, ki kot del proteoglikanov deluje kot vezavno mesto za SARS-CoV-2. Poleg tega pa sodeluje pri asimilaciji vitaminov, kar lahko vpliva na potek bolezni, saj je pomanjkanje vitamina D povezano s hujšim potekom Covid-19.

Viri

• Henzinger H, Barth D, Klec C, Pichler M. Non-Coding RNAs and SARS-Related Coronaviruses. Viruses. 2020;12: 1374. doi:10.3390/v12121374

• Ipsaro JJ, Joshua-Tor L. From guide to target: molecular insights into eukaryotic RNA-interference machinery. Nat Struct Mol Biol. 2015;22: 20–28. doi:10.1038/nsmb.2931

• Mukherjee M, Goswami S. Global cataloguing of variations in untranslated regions of viral genome and prediction of key host RNA binding protein-microRNA interactions modulating genome stability in SARS-CoV-2. Preiss T, editor. PLoS ONE. 2020;15: e0237559. doi:10.1371/journal.pone.0237559

• Hosseini Rad SM A, McLellan AD. Implications of SARS-CoV-2 Mutations for Genomic RNA Structure and Host microRNA Targeting. IJMS. 2020;21: 4807. doi:10.3390/ijms21134807

• Arisan ED, Dart A, Grant GH, Arisan S, Cuhadaroglu S, Lange S, et al. The Prediction of miRNAs in SARS-CoV-2 Genomes: hsa-miR Databases Identify 7 Key miRs Linked to Host Responses and Virus Pathogenicity-Related KEGG Pathways Significant for Comorbidities. Viruses. 2020;12: 614. doi:10.3390/v12060614