Картирование 3D-геометрии генома SARS-CoV-2

Новый коронавирус использует структуры внутри своей РНК для заражения клеток. Ученые определили эти конфигурации, создав на сегодняшний день наиболее полный атлас генома SARS-CoV-2.

Несмотря на то, что он заключен в длинную, похожую на лапшу молекулу, геном нового коронавируса совсем не похож на мокрые спагетти. Вместо этого он складывается в стебли, спирали и структуры, напоминающие клеверный лист, что вызывает ассоциации с молекулярным оригами.

Команда под руководством специалиста по РНК Анны Мари Пайл создала на сегодняшний день наиболее полную карту этих геномных структур. В двух препринтах, размещенных в июле 2020 года на bioRxiv.org, команда Пайл картировала структуры по всему РНК-геному коронавируса SARS-CoV-2, используя живые клетки и вычислительный анализ.

SARS-CoV-2 полагается на свои уникальные РНК-структуры, чтобы заражать людей и вызывать болезнь COVID-19. Но вклад этих структур в инфекцию и болезнь часто недооценивается, даже среди ученых, говорит Пайл, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза в Йельском университете.

«Общепринятая мудрость гласит, что если мы просто сосредоточимся на белках, закодированных в геноме вируса, мы поймем, как работает SARS-CoV-2. Но для вирусов такого типа структуры РНК в геноме могут влиять на их способность функционировать так же сильно, как и кодируемые белки».

Исследователи теперь могут начать выяснять, как именно эти структуры помогают вирусу — информация, которая в конечном итоге может привести к новым методам лечения COVID-19. Например, как только ученые идентифицируют РНК-структуры, выполняющие ключевые задачи, можно будет разработать способы их разрушения и тем самым помешать заражению.

Больше отдачи от генома

И ДНК, и ее молекулярный родственник РНК хранят информацию, используя четырехбуквенный код. Внутри человеческих клеток пары букв могут образовывать связи, соединяющие две цепи ДНК. Эти цепи скручиваются вместе, образуя знакомую двойную спираль. РНК также может образовывать спирали, но у вирусов, таких как SARS-CoV-2 и его родственников, это происходит, когда одна молекула складывается сама на себя.

В результате получаются не только стеблевидные двойные спирали, но также трех- и четырехцепочечные структуры, узлоподобные области и мультистеблевые соединения. Как строительные блоки, эти простые конфигурации становятся основой для еще более сложной архитектуры внутри генома.

Геном SARS-CoV-2, состоящий примерно из 30 000 РНК-букв, необычно длинен для РНК-вируса. Тем не менее, он довольно короткий по сравнению с геномами людей, растений и даже бактерий. Скручивание своей РНК в трехмерные формы дает SARS-CoV-2 еще один набор инструментов для компенсации ограниченного числа генов. «РНК-вирус получает максимальную отдачу от своего генома с точки зрения того, как он его использует», — говорит Пайл.

Исследования других вирусов позволили выяснить, как они используют РНК-структуры для своей «грязной работы». Например, вирус гепатита C использует сложную конфигурацию РНК, чтобы обманом заставить клетки производить вирусный белок, согласно Джеффри Кифту, специалисту по структуре РНК и вирусологу из Медицинского кампуса Университета Колорадо в Аншутце, который не участвовал в работе команды Пайл. «Довольно удивительно, насколько разные вещи могут делать РНК-структуры при вирусной инфекции», — говорит он.

Картирование новой территории

Группа Пайл взялась расшифровать конфигурацию генома SARS-CoV-2 с помощью двух параллельных подходов. В одном исследовании они изучили структуру РНК в ее естественной среде: внутри инфицированных клеток.

Доступ к вирусной РНК внутри клеток, где она смешивается с РНК хозяина, затруднен. Однако особенность инфекции SARS-CoV-2 — его РНК становится необычайно обильной — помогла команде создать снимок полной структуры РНК-генома. Это был первый случай, когда кому-либо удалось получить настолько полную картину вирусного генома из живых клеток. Предыдущие попытки с использованием клеток, инфицированных ВИЧ и гепатитом C, не дали достаточно информации для создания полного перечня РНК-структур.

В связанном вычислительном исследовании команда попыталась предсказать, как РНК-геном SARS-CoV-2, а также другие фрагменты вирусной РНК, производимые клеткой, могут сворачиваться и взаимодействовать сами с собой. Оба исследования еще не прошли научную проверку — рецензирование, — но вместе они показывают, что геном SARS-CoV-2 имеет сложную, компактную архитектуру. «Геном коронавируса имеет больше структуры, чем любая РНК, которую моя лаборатория изучала в прошлом», — говорит Пайл.

Для изучения любого РНК-вируса, и особенно SARS-CoV-2, ученым нужна дорожная карта его геномного ландшафта, говорит Кифт. «Доктор Пайл создала своего рода глобальный атлас, который является отличной отправной точкой для следующего раунда более целенаправленных экспериментов. Во многих отношениях он лишь царапает поверхность богатства РНК-структур, которые, вероятно, существуют в этом вирусе. Я подозреваю, что нас ждет много сюрпризов».

Работа по картированию также представляет собой предварительный шаг к созданию новых лекарств, которые могли бы нацеливаться на РНК-структуры вируса. Однако этот путь может быть долгим. С 2014 года, когда его лаборатория обнаружила узлоподобную структуру, которую такие вирусы, как денге и Западного Нила, используют для уклонения от клеточной защиты, Кифт пытается найти способ нейтрализовать ее. Он предостерегает, что научное сообщество не полностью готово к поиску лекарств, нарушающих структуру РНК. «Эта стратегия просто не изучалась и не преследовалась так, как это делалось для белков», — говорит он. Однако, имея дело с пандемическим вирусом, таким как SARS-CoV-2, «изначально вы пробуете все».