The recent pandemic has reminded the public that basic research in virology is pivotal for human health. Understanding the mechanisms of successful viral replication and the role of host factors can help to combat viral infections and prevent future pandemics.
Our lab has published the first SARS-CoV-2 RNA-protein interaction atlas, laying the foundation to investigate the interplay between viral RNA and host RNA binding proteins (RBP). Based on this, my project created the largest collection of binding profiles of host and viral RBPs on SARS-CoV-2 RNA to date. This revealed the host protein SND1 as the first human RBP that specifically binds negative sense viral RNA at the 5´ end, a region associated with viral transcription initiation. The binding profile shares similarities with the viral RBP nsp9, which binds the 5´ ends of positive and negative sense SARS-CoV-2 RNA. Depletion of SND1 shows reduced levels of viral RNA revealing it as a proviral host factor. To decode the underlying molecular mechanism, I characterized the protein-protein interactions of SND1 in SARS-CoV-2 infected and uninfected cells. Infection remodels the protein interactors of SND1 from general RNA biology to membrane association and viral RNA synthesis. Upon infection, SND1 specifically interacts with nsp9, the RBP that shares the same binding region on the negative strand of SARS-CoV-2 RNA. Recent work demonstrates that nsp9 is NMPylated in vitro suggesting a functional role of nsp9 in priming of viral RNA synthesis. I was able to show that nsp9 is covalently linked to the 5´ ends of SARS-CoV-2 RNA during infection of human cells. Analysing the covalent bond of nsp9 with the viral RNA on nucleotide level shows close proximity to the initiation sites of viral RNA synthesis, suggesting that nsp9 acts as a protein-primer of SARS-CoV-2 RNA synthesis. SND1 modulates the distribution of nsp9 on the viral RNA, since depletion of SND1 results in imbalanced occupancy of nsp9 at the 5´ends of viral RNA.
This study is the first to provide evidence for the priming mechanism of SARS-CoV-2 in authentic viral replication and further reveals how this mechanism is modulated by the host RBP SND1. Detailed knowledge about priming of viral RNA synthesis can help to find targeted antivirals that could be used to fight coronaviral infections. / Die letzte Pandemie zeigte erneut, das Grundlagenforschung im Bereich der Virologie essentiell für die Gesundheit des Menschen ist. Das Wissen über Schlüsselelemente erfolgreicher viraler Replikation und der Relevanz humaner Proteine darin kann helfen Infektionen zu bekämpfen und künftige Pandemien zu verhindern.
Unser Labor publizierte das erste SARS-CoV-2 RNA Protein-Interaktom und legte dabei den Grundstein für die Forschung am Zwischenspiel viraler RNA und humanen RNA Bindeproteinen (RBPs). Basierend darauf, generierte mein Projekt die bislang größte Sammlung an Bindeprofilen humaner sowie viraler RBPs auf der SARS-CoV-2 RNA. Dabei zeigte sich der Wirtsfaktor SND1 als das erste human RBP das in der Lage ist den Negativstrang der viral RNA zu binden, spezifisch an dessen 5´ Ende welches mit der Transkriptionsinitiierung assoziiert ist. Diese Bindestelle ist ähnlich zu dem viralen RBP nsp9, welches die 5´ Enden der positiv und negativ RNA bindet. Das Fehlen von SND1 in der Wirtszelle führt zu reduzierten Mengen viraler RNA und impliziert daher einen proviralen Einfluss von SND1. Um den zugrundeliegenden molekularen Mechanismus zu verstehen, betrachtete ich die Protein-Protein Interaktionen von SND1 in SARS-CoV-2 infizierten und uninfizierten Zellen. Dabei zeigte sich, dass durch die Infektion die Interaktionspartner von SND1 von genereller RNA Biologie zu Membranassoziierung sowie viraler RNA Synthese verschiebt. Mit Infektion der Zelle interagiert SND1 spezifisch mit nsp9, das RBP welches dieselbe Binderegion am Negativstrang mit SND1 auf der SARS-CoV-2 RNA teilt. Neuste in vitro Studien zeigen, dass nsp9 NMPyliert wird und deuten damit eine Relevanz von nsp9 in Priming an. Ich konnte im Kontext authentischer viraler Replikation zeigen, dass nsp9 kovalent an die 5´ Enden der SARS-CoV-2 RNA gebunden ist. Bei genauerer Untersuchung der kovalenten Bindung von nsp9 an der viralen RNA auf Nukleotidebene zeigt, dass diese Nahe der Initiationsstelle der Transkription liegen, was eine Relevanz von nsp9 als Protein-Primer in der SARS-CoV-2 RNA Synthese impliziert. Die Richtige Verteilung von nsp9 auf der viralen RNA wird von SND1 moduliert, da Abwesenheit von SND1 zu einem Ungleichgewicht von nsp9 an den 5´ Enden führt.
XII
Diese Studie ist die Erste, die Evidenzen für den Primingmechanismus von SARS-CoV-2 in authentischer viraler Replikation zeigt und wie diese durch SND1 moduliert wird. Detailliertes Wissen über das Priming viraler RNA Synthese kann dabei helfen gezielte nach antiviralen Substanzen zu suchen, die dabei helfen könnten Infektionen durch Coronaviren zu bekämpfen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:34648 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Ganskih, Sabina |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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