Nieuwe techniek onthult schakelaars in virus-RNA

Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen en hun collega’s van de universiteit van Torino (Italië) hebben een methode ontwikkeld om alternatieve structuren van RNA moleculen zichtbaar en kwantificeerbaar te maken. Deze alternatieve RNA vormen kunnen belangrijk zijn voor het functioneren van virussen en bacteriën. De onderzoekers gebruikten een algoritme om snel grote aantallen chemisch aangepaste RNA moleculen te analyseren en te berekenen hoeveel verschillende gevouwen structuren daarin aanwezig zijn. De techniek is gebruikt om structurele schakelaars te vinden in het RNA van het SARS-CoV2 virus. De resultaten zijn op 22 februari gepubliceerd in het tijdschrift Nature Methods.

De genetische code van RNA moleculen bevat de informatie die nodig is voor het maken van eiwitten. Maar de 2D en 3D vorm van deze moleculen is ook belangrijk. Er zijn verschillende manieren waarop de moleculen kunnen vouwen en sommige alternatieve vormen beïnvloeden het functioneren van het RNA. Een voorbeeld is de riboswitch, een soort aan/uit knop die in bepaalde RNA moleculen van bacteriën aanwezig is. De schakelaar bestaat uit een stuk van het RNA dat onder invloed van de omgeving op verschillende manieren kan vouwen en daarbij de vertaling van genen in eiwitten kan toelaten of blokkeren.

Ook het RNA van virussen kan zich opvouwen, en ook hier kunnen alternatieve vormen belangrijk zijn voor de levenscyclus. ‘Wanneer je een dynamische structuur ziet in het RNA, wijst dat op een mogelijk regulatie-systeem’, zegt Danny Incarnato, moleculair geneticus aan de RUG. ‘Daarom hebben we een manier ontwikkeld om in experimentele gegevens te zoeken naar verschillende vormen die een RNA molecuul kan aannemen.’

Enkelstrengs RNA moleculen vouwen doordat de basen waar ze uit bestaan met elkaar kunnen binden. Wanneer dat gebeurt zijn ze beschermd tegen mutatie door chemische modificatie. Daarom is de mutatietechniek bruikbaar om te bepalen welke basen er gepaard of niet gepaard zijn. Met het enzym reverse transcriptase is het aangepaste RNA om te zetten in DNA, dat vervolgens afgelezen kan worden waarbij de gemodificeerde basen als mutaties zichtbaar zijn. ‘Dit proces is alleen niet heel efficiënt, niet alle ongepaarde basen worden ook daadwerkelijk gemodificeerd’, legt Incarnato uit. Daarom is het nogal ingewikkeld om uit een analyse van de mutaties de vormen waarin het molecuul zich kan bevinden af te leiden. Dat dezelfde plek in het RNA soms op verschillende manieren kan vouwen maakt het nog ingewikkelder. ‘Gelukkig is het aantal vouwingen dat we in de praktijk zien lager dan wat er theoretisch mogelijke is’, zegt Incarnato. Maar ze vinden blijft lastig.

Er zijn verschillende technieken voorgesteld om te berekenen welke vouwingen er met welke frequentie in een RNA molecuul aanwezig zijn. ‘Het idee is om te kijken welke mutaties er in een bepaalde regio voorkomen en welke juist niet. Het patroon daarin wijst op alternatieve vouwingen.’ De eerste techniek die werd ontwikkeld leunde nog deels op een directe inspectie van de patronen door de onderzoeker. Een recenter systeem was inmiddels volledige geautomatiseerd, maar ook dat kon beter, meenden Incarnato in zijn collega’s.

‘Wij ontwikkelden een algoritme dat snel een groot aantal in DNA omgezette RNA moleculen kan aflezen.’ In vergelijking met de vorige systemen kan het alternatieve vouwingen al met minder informatie herkennen, en is het minder gevoelig voor een overschatting van het aantal verschillende vormen. ‘Ons algoritme is robuuster dan en erg snel.’

Het is belangrijk om regio’s in het RNA te identificeren die verschillend kunnen vouwen en dus mogelijk als schakelaar dienen. Incarnato: ‘Het helpt ons beter inzicht te krijgen in de veelheid aan vouwmogelijkheden en de effecten die dat heeft voor virussen en cellen.’ In een virus zou zo’n schakelaar doelwit kunnen zijn voor een geneesmiddel. Het is ook mogelijk dat dit soort riboswitches aanwezig blijkt te zijn in cellen met celkern, zoals die van de mens. ‘Bepaalde mutaties in genen vinden we nu niet interessant, omdat ze geen invloed hebben op de eiwitten die daarvan gemaakt worden. Maar misschien veranderen ze de structuur van het RNA wel degelijk. Dit soort veranderingen zou een rol kunnen spelen bij onder meer kanker.’

In het artikel uit Nature Methods zijn 22 regio’s in het RNA van het coronavirus SARS-CoV2 geïdentificeerd die een verschillende vouwingen vertonen. ‘Boeiend is dat er twee nog niet gepubliceerde artikelen in preprint beschikbaar zijn, waarin enkele daarvan met een andere techniek zijn bevestigd.’ Incarnato en zijn collega’s denken dat een daarvan bijzonder interessant is: ‘De twee mogelijke vouwingen bij deze schakelaar komen voor bij veel verschillende coronavirussen, wat er op wijst dat ze belangrijk zijn. Dat maakt ze een prachtig doelwit voor nieuwe, op het RNA gerichte antivirale geneesmiddelen.’

Referentie: Edoardo Morandi, Ilaria Manfredonia, Lisa M. Simon, Francesca Anselmi, Martijn J. van Hemert, Salvatore Oliviero and Danny Incarnato: Genome-scale deconvolution of RNA structure ensembles Nature Methods 22 februari 2021