Förmågan att skilja mellan cellulärt RNA och viralt RNA – en process som kallas själv-icke-självdiskriminering – är grundläggande för alla djurs medfödda immunsvar. När virus infekterar celler replikerar de inuti värdcellen, och denna process genererar dubbelsträngat viralt RNA (som inte förekommer naturligt i cellen) som en mellanprodukt.
Hos människor och andra ryggradsdjur detekteras förekomsten av dessa icke-själv-RNA-molekyler vanligtvis av ett protein som kallas MDA5, en cytoplasmatisk RNA-sensor. MDA5 initierar produktionen av antivirala proteiner som begränsar infektionen.
I denna studie, publicerad i Nature Structural and Molecular Biology, ger Crick-forskarna en detaljerad förståelse av de första stegen i denna avgörande försvarsmekanism. Forskarna fick 3D-strukturer av MDA5 bundet till dubbelsträngat RNA, vilket gjorde det möjligt för dem att fastställa exakt hur sensorproteinet känner igen det virala RNA:t och initierar det cellulära antivirala svaret.
Strukturerna avslöjade att MDA5 inte skiljer mellan egna och icke-själv-RNA-sekvenser, istället särskiljer de utifrån formen. Medan cellulärt RNA bildar en kontinuerlig helix, har viralt RNA en kink i mitten, vilket exponerar ett specifikt bindningsställe för MDA5.
En grundläggande immunmekanism
"MDA5 är en av de viktigaste sensorerna i det medfödda immunsystemet, och det är viktigt för antiviral immunitet. Att förstå hur det fungerar i så invecklade detaljer ger därför betydande insikter i hur våra kroppar bekämpar virusinfektioner”, förklarar huvudförfattaren Dr. Carlos R. Ortiz-Caravaca, gruppledare i RNA-biologi vid Crick.
För att erhålla 3D-strukturerna av MDA5 med RNA, använde forskarna en teknik som kallas kryoelektronmikroskopi kombinerat med biokemiska analyser för att fastställa hur MDA5 diskriminerar sig själv och icke-själv-RNA.
I kryo-elektronmikroskopin bestämdes strukturerna med en upplösning på 3,4 Å (Ångströms), vilket gjorde det möjligt för forskarna att visualisera de individuella atomerna i RNA-spiralerna och proteinvecken.
Genom att förstå exakt hur MDA5 känner igen dubbelsträngat viralt RNA och utlöser antivirala försvar, kan forskarna nu försöka utveckla nya behandlingar för virusinfektioner, inklusive nya virus som SARS-CoV-2 och MERS-CoV.
"För vissa virusinfektioner, som influensa, är kroppen väldigt bra på att generera ett effektivt antiviralt svar mot infektionen. Genom att få en detaljerad förståelse för hur denna process sker, kan vi använda den kunskapen för att förbättra kroppens immunsvar mot virusinfektioner som vi inte har ett effektivt försvar mot, säger Dr. Ortiz-Caravaca.
Avslöjar detaljerna
Teamet observerade att MDA5 innehåller två RNA-bindande domäner:en domän är ansvarig för att "känna av" RNA, medan den andra är ansvarig för signalering för att aktivera det antivirala svaret.
Vid virusinfektion hittar och binder sensordomänen till det virala dubbelsträngade RNA:t. Denna bindningshändelse orsakar en konformationsförändring som exponerar signaleringsdomänen, vilket gör att proteinet kan överföra signalen och aktivera det antivirala svaret.
MDA5 är en del av en bredare grupp av RNA-sensorproteiner som alla är involverade i försvaret mot virus. Forskarna hoppas kunna tillämpa samma teknik för att förstå hur andra sensorer fungerar, och på så sätt bygga en heltäckande bild av de olika sätt som celler diskriminerar virus och skyddar sig mot infektion.
***
Francis Crick Institute är ett biomedicinskt upptäcktsinstitut dedikerat till att förstå den grundläggande biologin bakom hälsa och sjukdom. Dess forskare tar itu med de största frågorna inom biologi genom experimentell vetenskap och tvärvetenskapliga samarbeten, och dess vetenskapliga genombrott hjälper till att översätta forskning till behandlingar för patienter.
The Crick grundades 2015 och är baserat i London, Storbritannien. The Crick är ett partnerskap mellan sex organisationer:Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology, Cancer Research UK, Wellcome Sanger Institute, University College London, Imperial College London och King's College London.
***
Kontakta
Laura Marr, kommunikationsansvarig
07919 923366
Vetenskaplig kontakt
Dr Carlos R. Ortiz-Caravaca
Gruppledare i RNA-biologi, Francis Crick Institute
