Wie das Hepatitis-D-Virus die Host-Replikationsmaschinerie kapert

Zerrissene Piratenflagge

Diese Geschichte ist Teil einer größeren Serie über Viroide und Virusoide, kleine infektiöse RNAs. Es ist außerdem der fünfte Teil einer Serie über das Hepatitis-D-Virus, einen Virusoid-ähnlichen Krankheitserreger, der schwere Krankheiten beim Menschen verursacht. Sie können die anderen auf Forbes oder www.williamhaseltine.com lesen.

Alle Viren kodieren für ein Enzym, das ihr Genom replizieren kann, sei es DNA oder RNA. Ohne ein solches Enzym ist das Virus wirkungslos – selbst wenn es ihm gelingt, in eine Wirtszelle einzudringen, kann es sich nicht vermehren. Eine Ausnahme bilden Viroide und Virusoide, einschließlich Hepatitis D. Diese kleinen, zirkulären RNA-Krankheitserreger kodieren keine eigenen Replikationsenzyme. Trotzdem gelingt ihnen die Replikation ohne Probleme. Wie? Die einfache Antwort ist, dass sie die Replikationsmaschinerie der Wirtszelle kapern. Obwohl die meisten Viroide und Virusoide keine Proteine ​​kodieren, ist dies beim Hepatitis-D-Virus der Fall. Das Hepatitis-D-Protein – bekannt als Hepatitis-D-Virus-Antigen (HDAg) – verändert die relevante Zellmaschinerie zu seinem eigenen Vorteil. Insbesondere interagiert es mit DNA-abhängigen RNA-Polymerasen des Wirts (Pol I, Pol II und Pol III). Im Folgenden finden Sie einen Überblick über diese Strategie und ihre Bedeutung für den Lebenszyklus von Hepatitis D (Abbildung 1). Das Verständnis dieser Wechselwirkungen eröffnet die Möglichkeit für neue Hepatitis-D-spezifische antivirale Medikamente.

ABBILDUNG 1. Schematische Darstellung des Lebenszyklus des Hepatitis-Delta-Virus (HDV).

Was sind Wirts-RNA-Polymerasen?

RNA-abhängige RNA-Polymerasen sind Enzyme, die eine Zelle verwendet, um die Informationen in der DNA in RNA zu kopieren. Es gibt drei menschliche RNA-Polymerasen, die als RNA-Polymerase I, II und III bezeichnet werden.

RNA-Polymerase I

RNA-Polymerase I ist ein großes Protein, das aus 14 verschiedenen Untereinheiten, sogenannten Polypeptiden, besteht. Es trägt zur Zellteilung bei, indem es viele Bestandteile der Ribosomen, der proteinproduzierenden Maschinerie der Zellen, bildet. Stellen Sie sich Ribosomen als Übersetzer vor; Während sie einen RNA-Strang durchqueren, wandeln sie die Nukleotide, aus denen die RNA besteht, in Aminosäuren um. RNA rein, Proteine ​​raus.

Die RNA-Polymerase I produziert diese ribosomalen Stücke – ribosomale Ribonukleinsäuren (rRNAs), um den Fachbegriff zu verwenden – durch Transkription einer speziellen Art von DNA, die ribosomale DNA (rDNA) genannt wird. Die von der RNA-Polymerase I transkribierte ribosomale RNA verbindet sich mit ribosomalen Proteinen zu einem vollständigen Ribosom.

Die Transkription ribosomaler DNA in ribosomale RNA durch RNA-Polymerase I erfolgt in einem separaten Unterkompartiment des Zellkerns, dem Nukleolus.

RNA-Polymerase II

Auch die RNA-Polymerase II ist ein Multiproteinkomplex, der aus 12 verschiedenen Untereinheiten besteht. Fünf seiner Untereinheiten werden mit der RNA-Polymerase I und III geteilt. Trotzdem ist seine Funktion sehr unterschiedlich; Während RNA-Polymerase I ausschließlich ribosomale DNA transkribiert, transkribiert RNA-Polymerase II die proteinkodierenden Abschnitte gewöhnlicher DNA in Boten-RNA. Diese Boten-RNAs dienen dann als Baupläne für die Synthese von Proteinen.

Die Transkription von DNA durch RNA-Polymerase II erfolgt im Nukleoplasma.

RNA-Polymerase III

Die RNA-Polymerase III ist die größte der drei RNA-Polymerasen und besteht aus 17 Untereinheiten. Auch hier teilt sie fünf ihrer Untereinheiten mit den anderen beiden RNA-Polymerasen. Und wie die beiden anderen Polymerasen dient sie auch dazu, die Transkription von DNA in bestimmte Arten von RNA zu erleichtern. Insbesondere transkribiert es DNA, um 5S-ribosomale RNA – das einzige ribosomale RNA-Molekül, das nicht von der RNA-Polymerase I transkribiert wird – und Transfer-RNA (tRNA) zu produzieren.

ABBILDUNG 2. Ein Venn-Diagramm, das die Untereinheitenzusammensetzung der drei RNA-Polymerasen vergleicht.

Zusätzlich zu den oben genannten RNA-Polymerasen gibt es noch zwei weitere (Pol IV und Pol V). Diese kommen jedoch ausschließlich in Pflanzen vor. Da Hepatitis D ein tierischer Krankheitserreger ist, sind die beiden pflanzlichen RNA-Polymerasen nicht relevant.

Hepatitis-D-RNA-Polymerase-Wechselwirkungen

Denken Sie daran, dass DNA-abhängige RNA-Polymerasen normalerweise DNA als Vorlage verwenden und sie in die eine oder andere Form von RNA umwandeln. Das Hepatitis-D-Virus besteht jedoch ausschließlich aus RNA. Das bedeutet, dass der Krankheitserreger sich die Polymerasen irgendwie aneignet, um RNA als Vorlage zu verwenden – RNA zu RNA, statt DNA zu RNA. Wie gelingt dieser Akt der Subversion?

MacNaughton und Lai schlagen zwei mögliche Erklärungen vor, die sich, wie erwähnt, nicht gegenseitig ausschließen. Das erste ist, dass das kleine Protein des Hepatitis-D-Virus direkt an die RNA-Polymerasen bindet und so die Replikation und Transkription initiiert. Die andere Möglichkeit besteht darin, dass die quasi-doppelsträngige Sekundärstruktur des Hepatitis-D-Virus – ein Ergebnis einer 70-prozentigen Selbstkomplementarität der Sequenz – mit DNA verwechselt wird und dadurch RNA-Polymerasen und Transkriptionsfaktoren gekapert werden, die normalerweise nicht an RNA binden würden.

Kleines Hepatitis-D-Protein

Beweise für die erste Erklärung gibt es reichlich. Zum einen interagiert das kleine Hepatitis-D-Protein mit neun der zwölf RNA-Polymerase-II-Untereinheiten. Neben diesen neun Untereinheiten wurde festgestellt, dass das kleine Protein auch mit 65 anderen an der Transkription beteiligten Wirtsproteinen interagiert. Von vielen davon ist auch bekannt, dass sie RNA-Polymerase II binden. Es ist möglich, dass sich diese Proteine ​​nach der Bindung an die RNA-Polymerase II auch an das kleine Protein zur weiteren Replikation binden.

Ein weiterer Punkt, der für diese Möglichkeit spricht, ist, dass das kleine Protein von Hepatitis D an einen Abschnitt der RNA-Polymerase II bindet, der als „Klemme“ bekannt ist und als Klaue fungiert, die es der Polymerase ermöglicht, sich an der DNA festzuhalten (Abbildung 3). Durch die Bindung an diese Region lockert das kleine Protein den Halt der Klemme. Dies hat zwei Auswirkungen. Einerseits beschleunigt das Lösen der Klemme die Transkriptionsrate und damit auch die Replikationsrate. Andererseits verringert es die Wiedergabetreue der Transkription. Das ist nicht unbedingt eine schlechte Sache. Im Gegenteil könnte es der Mechanismus sein, durch den das kleine Protein in der Lage ist, die RNA-Polymerase II zu kapern: Eine verminderte Wiedergabetreue könnte eine Lockerung der üblichen Template-Anforderungen bedeuten. Tatsächlich haben Yamaguchi et al. Anmerkung: „Durch die Verringerung der Transkriptionstreue nicht nur hinsichtlich der Unterscheidung eingehender Nukleotide, sondern auch der Erkennung von Matrizen kann HDAg die ungewöhnliche RNA-abhängige RNA-Synthese durch Pol II erleichtern.“

ABBILDUNG 3. Schematische Darstellung des Hepatitis-D-Antigens (HDAg), wie es an die RNA-Polymerase bindet ... [+] II.

Schließlich teilt das kleine Hepatitis-D-Protein einen Teil seiner Sequenz mit einer Region eines Proteinkomplexes namens negativer Elongationsfaktor (NELF). Der negative Elongationsfaktor bindet an die RNA-Polymerase II und unterdrückt die Transkription. Damit die Transkription beginnen kann, muss zunächst die negative Verlängerung entfernt werden. Stellen Sie sich den Komplex als eine Art Torwächter vor, der verhindert, dass die RNA-Polymerase II in Fällen aktiviert wird, in denen dies nicht der Fall sein sollte. Wenn das kleine Protein an die RNA-Polymerase II bindet, verdrängt es den negativen Elongationsfaktor und bringt die Polymerase in den Transkriptionsmodus.

Der nächste Artikel dieser Reihe befasst sich mit der Möglichkeit, dass das Genom des Hepatitis-D-Virus selbst unabhängig vom kleinen Antigenprotein direkt mit den RNA-Polymerasen interagiert.