El virus de l'hepatitis C i la ribonucleasa Phumana: aspectes biològics i terapèutics

El virus de l'hepatitis C (VHC) provoca una hepatitis crònica que afecta a més de 170 milions de persones d'arreu del món. És un virus petit que es classifica dins de la família Flaviviridae i és un virus d'RNA de cadena positiva amb un genoma d'aproximadament 9.600 nucleòtids. A l'extrem 5' del genoma viral s'hi troba una regió no codificant (5'NCR) que comprèn els primers 341 nucleòtids i la seva funció està relaciona amb la traducció. Immediatament després hi ha una pauta de lectura oberta ORF que acaba en un únic codó d'aturada i codifica una poliproteïna de 3.010 aminoàcids. A continuació l'extrem 3' no codificant (3'NCR), que malgrat es desconeixen les seves funcions exactes, s'ha demostrat que és essencial per a la replicació vírica. La única poliproteïna generada és processada co- i postraduccionalment mitjançant proteases de l'hoste i víriques, donant lloc a les proteïnes estructurals (Core, E1 i E2-p7) i no estructurals (NS2-NS5B). Igual que la majoria de virus RNA, el VHC es caracteritza per tenir una taxa de mutació elevada. De fet, el genoma del virus no es pot definir com una única seqüència sinó per una població de variants molt relacionades entre sí. A aquesta manera d'organitzar la informació genètica se l'anomena quasiespècie viral i una de les seves implicacions principals és la facilitat amb què sorgeixen resistents al tractament. Els tractaments disponibles són llargs, cars, provoquen efectes secundaris considerables i només es resolen completament el 40% dels casos. Per aquesta raó es busquen altres solucions terapèutiques per combatre el virus entre les quals s'hi inclouen diferents estratègies. Una de les més innovadores i prometedores és la utilització de ribozims dirigits directament contra el genoma del virus. Aquest treball es centra en l'estudi de les noves estratègies terapèutiques basades en ribozims, concretament la ribonucleasa P. La ribonucleasa P és un ribozim que està present en tots els organismes ja que és l'enzim responsable de la maduració dels precursors d'RNA de transferència. El més interessant a nivell terapèutic és que s'ha demostrat que es pot dirigir la seva activitat cap a qualsevol RNA utilitzant una seqüència guia d'RNA que quan hibrida amb l'RNA diana, l'híbrid imita l'estructura secundària del substrat natural. En el cas del VHC, s'han estudiat ribozims dependents de seqüència (ribozims derivats d'RNAs satèl·lits i de viroides de plantes), sempre dirigits contra la regió més conservada del virus per evitar una disminució de l'eficiència del ribozim deguda a la variació de la diana. La ribonucleasa P és una endonucleasa d'activitat molt específica i es diferencia dels altres ribozims naturals en el sistema de reconeixement del substrat, reconeix elements estructurals i no de seqüència. L'objectiu final del treball és tallar in vitro l'RNA del VHC aprofitant la propietat que presenta aquest ribozim de reconèixer elements estructurals i no de seqüència ja que per a un mateix nombre de seqüències, el nombre d'estructures viables que pot adoptar l'RNA genòmic és molt més petit i per tant la variabilitat de la diana disminueix. S'han estudiat dos models d'RNasa P, la RNasa P humana guiada per seqüència guia externa (EGS) i l'RNA M1 de l'RNasa P d'E.coli unit a la seqüència guia per l'extrem 3' (ribozim M1GS). Abans però de dirigir el ribozim, s'han estudiat l'estructura i la variabilitat d'una regió del genoma del virus ja que s'ha descrit que són factors que poden limitar l'eficiència de qualsevol ribozim. Derivat d'aquests estudis s'aporten dades sobre accessibilitat i variabilitat d'una regió interna del genoma del virus de l'hepatitis C, la zona d'unió de la regió E2/NS2 (regió 2658-2869). L'estudi d'accessibilitat revela que la regió 2658-2869 del genoma del virus conté dominis oberts i tancats i que la transició entre uns i altres no és brusca si es compara amb altres regions d'estructura coneguda (regió 5' no codificant). Els resultats dels assajos in vitro amb els dos models de RNasa P mostren que s'ha aconseguit dirigir tant la ribonucleasa P humana com el ribozim M1GS cap a una zona, predeterminada segons l'estudi d'accessibilitat, com a poc estructurada i tallar l'RNA del virus. De l'anàlisi de mutacions, però, es dedueix que la regió estudiada és variable. Tot i dirigir el ribozim cap a la zona més accessible, la variació de la diana podria afectar la interacció amb la seqüència guia i per tant disminuir l'eficiència de tall. Si es proposés una estratègia terapèutica consistiria en un atac simultani de vàries dianes.D'altra banda i derivat d'un resultat inesperat on s'ha observat en els experiments control que l'extracte de RNasa P humana tallava l'RNA viral en absència de seqüències guia externes, s'ha caracteritzat una nova interacció entre l'RNA del VHC i la RNasa P humana. Per a la identificació de l'enzim responsable dels talls s'han aplicat diferents tècniques que es poden dividir en mètodes directes (RNA fingerprinting) i indirectes (immunoprecipitació i inhibicions competitives). Els resultats demostren que la ribonucleasa P humana, i no un altre enzim contaminant de l'extracte purificat, és la responsable dels dos talls específics observats i que es localitzen, un a l'entrada interna al ribosoma (IRES) i molt a prop del codó AUG d'inici de la traducció i l'altre entre la regió codificant estructural i no estructural. La ribonucleasa P és un dels enzims del metabolisme del tRNA que s'utilitza per identificar estructures similars al tRNA en substrats diferents del substrat natural. Així doncs, el fet que la ribonucleasa P reconegui i talli el genoma del VHC en dues posicions determinades suggereix que, a les zones de tall, el virus conté estructures semblants al substrat natural, és a dir estructures tipus tRNA. A més, tot i que el VHC és molt variable, els resultats indiquen que aquestes estructures poden ser importants per el virus, ja que es mantenen en totes les variants naturals analitzades. Creiem que la seva presència podria permetre al genoma interaccionar amb factors cel·lulars que intervenen en la biologia del tRNA,particularment en el cas de l'estructura tipus tRNA que es localitza a l'element IRES. Independentment però de la seva funció, es converteixen en unes noves dianes terapèutiques per a la RNasa P. S'ha de replantejar però l'estratègia inicial ja que la similitud amb el tRNA les fa susceptibles a l'atac de la ribonucleasa P, directament, en absència de seqüències guia externes.

A two-metal ion mechanism operates in the hammerhead ribozyme-mediated cleavage of an RNA substrate

Evidence for a two-metal ion mechanism for cleavage of the HH16 hammerhead ribozyme is provided by monitoring the rate of cleavage of the RNA substrate as a function of La3+ concentration in the presence of a constant concentration of Mg2+. We show that a bell-shaped curve of cleavage activation is obtained as La3+ is added in micromolar concentrations in the presence of 8 mM Mg2+, with a maximal rate of cleavage being attained in the presence of 3 microM La3+. These results show that two-metal ion binding sites on the ribozyme regulate the rate of the cleavage reaction and, on the basis of earlier estimates of the Kd values for Mg2+ of 3.5 mM and > 50 mM, that these sites bind La3+ with estimated Kd values of 0.9 and > 37.5 microM, respectively. Furthermore, given the very different effects of these metal ions at the two binding sites, with displacement of Mg2+ by La3+ at the stronger (relative to Mg2+) binding site activating catalysis and displacement of Mg2+ by La3+ at the weaker (relative to Mg2+) (relative to Mg2+) binding site inhibiting catalysis, we show that the metal ions at these two sites play very different roles. We argue that the metal ion at binding site 1 coordinates the attacking 2'-oxygen species in the reaction and lowers the pKa of the attached proton, thereby increasing the concentration of the attacking alkoxide nucleophile in an equilibrium process. In contrast, the role of the metal ion at binding site 2 is to catalyze the reaction by absorbing the negative charge that accumulates at the leaving 5'-oxygen in the transition state. We suggest structural reasons why the Mg(2+)-La3+ ion combination is particularly suited to demonstrating these different roles of the two-metal ions in the ribozyme cleavage reaction.

New tools provide a second look at HDV ribozyme structure, dynamics and cleavage.

The hepatitis delta virus (HDV) ribozyme is a self-cleaving RNA enzyme essential for processing viral transcripts during rolling circle viral replication. The first crystal structure of the cleaved ribozyme was solved in 1998, followed by structures of uncleaved, mutant-inhibited and ion-complexed forms. Recently, methods have been developed that make the task of modeling RNA structure and dynamics significantly easier and more reliable. We have used ERRASER and PHENIX to rebuild and re-refine the cleaved and cis-acting C75U-inhibited structures of the HDV ribozyme. The results correct local conformations and identify alternates for RNA residues, many in functionally important regions, leading to improved R values and model validation statistics for both structures. We compare the rebuilt structures to a higher resolution, trans-acting deoxy-inhibited structure of the ribozyme, and conclude that although both inhibited structures are consistent with the currently accepted hammerhead-like mechanism of cleavage, they do not add direct structural evidence to the biochemical and modeling data. However, the rebuilt structures (PDBs: 4PR6, 4PRF) provide a more robust starting point for research on the dynamics and catalytic mechanism of the HDV ribozyme and demonstrate the power of new techniques to make significant improvements in RNA structures that impact biologically relevant conclusions.

Metal-Ion Catalysis In the Tetrahymena Ribozyme Reaction

LL catalytic RNAs (ribozymes) require or are stimulated by divalent metal ions, but it has been difficult to separate the contribution of these metal ions to formation of the RNA tertiary structure1 from a more direct role in catalysis. The Tetrahymena ribozyme catalyses cleavage of exogenous RNA2,3 or DNA4,5 substrates with an absolute requirement for Mg2+ or Mn2+ (ref. 6). A DNA substrate, in which the bridging 3' oxygen atom at the cleavage site is replaced by sulphur, is cleaved by the ribozyme about 1,000 times more slowly than the corresponding unmodified DNA substrate when Mg2+ is present as the only divalent metal ion. But addition of Mn2+ or Zn2+ to the reaction relieves this negative effect, with the 3' S–P bond being cleaved nearly as fast as the 3' O–P bond. Considering that Mn2+ and Zn2+ coordinate sulphur more strongly than Mg2+ does7,8, these results indicate that the metal ion contributes directly to catalysis by coordination to the 3' oxygen atom in the transition state, presumably stabilizing the developing negative charge on the leaving group. We conclude that the Tetrahymena ribozyme is a metalloenzyme, with mechanistic similarities to several protein enzymes9–12.

Études Structurales par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du Site Actif du Ribozyme VS de Neurospora.

Nous étudions le ribozyme VS de Neurospora, en tant que système modèle, pour augmenter nos connaissances sur la relation entre la structure et la fonction chez les ARNs, ainsi que pour mieux comprendre le mécanisme de clivage de ce ribozyme. Il a été proposé précédemment que la boucle interne A730 dans la tige-boucle VI (SLVI) contient le site actif du ribozyme et lie un ou plusieurs ions métalliques qui pourraient participer au mécanisme réactionnel. Nous avons déterminé par spectroscopie RMN la structure de la tige-boucle SLVI contenant la boucle A730 afin d’éclaircir ce mécanisme. La structure obtenue est en accord avec les études biochimiques antérieures et présente un ou plusieurs sites de liaison au magnésium associé à la boucle interne. Suite à des études de cinétique et de mutagenèse, il a été proposé qu’une adénine localisée dans le site actif, A756, participe à la catalyse par acide/base générale. Des études de pH effectuées précédemment ont identifié un pKa catalytique (5.2-5.8) qui correspond probablement à l’équilibre de protonation du A756. À l’aide de méthodes utilisant le carbone-13, nous avons identifié un pKa modifié appartenant au A756, ce qui supporte le rôle de ce résidu dans la catalyse par acide/base générale. Les études structurales présentées ici aident donc à augmenter notre compréhension du mécanisme de clivage chez le ribozyme VS.

Caractérisation structurale et thermodynamique de la reconnaissance du substrat par le ribozyme VS de Neurospora

Les interactions ARN/ARN de type kissing-loop sont des éléments de structure tertiaire qui jouent souvent des rôles clés chez les ARN, tant au niveau fonctionnel que structural. En effet, ce type d’interaction est crucial pour plusieurs processus dépendant des ARN, notamment pour l’initiation de la traduction, la reconnaissance des ARN antisens et la dimérisation de génome rétroviral. Les interactions kissing-loop sont également importantes pour le repliement des ARN, puisqu’elles permettent d’établir des contacts à longue distance entre différents ARN ou encore entre les domaines éloignés d’un même ARN. Ce type d’interaction stabilise aussi les structures complexes des ARN fonctionnels tels que les ARNt, les riborégulateurs et les ribozymes. Comme d’autres ARN fonctionnels, le ribozyme VS de Neurospora contient une interaction kissing-loop importante. Celle-ci est impliquée dans la reconnaissance du substrat et se forme entre la tige-boucle I (stem-loop I, SLI) du substrat et la tige-boucle V (stem-loop V, SLV) du domaine catalytique. Des études biochimiques ont démontré que l’interaction kissing-loop I/V, dépendante du magnésium, implique trois paires de bases Watson-Crick (W-C). De plus, cette interaction est associée à un réarrangement de la structure du substrat, le faisant passer d’une conformation inactive dite unshifted à une conformation active dite shifted. Les travaux présentés dans cette thèse consistent en une caractérisation structurale et thermodynamique de l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme VS, laquelle est formée de fragments d’ARN représentant les tige-boucles I et V dérivées du ribozyme VS (SLI et SLV). Cette caractérisation a été réalisée principalement par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et par titrage calorimétrique isotherme (isothermal titration calorimetry, ITC) en utilisant différents complexes SLI/SLV dans lesquels l’ARN SLV est commun à tous les complexes, alors que différentes variations de l’ARN SLI ont été utilisées, soit en conformation shiftable ou preshifted. Les données d’ITC ont permis de démontrer qu’en présence d’une concentration saturante de magnésium, l’affinité d’un substrat SLI preshifted pour SLV est extrêmement élevée, rendant cette interaction plus stable que ce qui est prédit pour un duplexe d’ARN équivalent. De plus, l’étude effectuée par ITC montre que des ARN SLI preshifted présentent une meilleure affinité pour SLV que des ARN SLI shiftable, ce qui a permis de calculer le coût énergétique associé au réarrangement de structure du substrat. En plus de confirmer la formation des trois paires de bases W-C prédites à la jonction I/V, les études de RMN ont permis d’obtenir une preuve structurale directe du réarrangement structural des substrats SLI shiftable en présence de magnésium et de l’ARN SLV. La structure RMN d’un complexe SLI/SLV de grande affinité démontre que les boucles terminales de SLI et SLV forment chacune un motif U-turn, ce qui facilite l’appariement W-C intermoléculaire. Plusieurs autres interactions ont été définies à l’interface I/V, notamment des triplets de bases, ainsi que des empilements de bases. Ces interactions contribuent d’ailleurs à la création d’une structure présentant un empilement continu, c’est-à-dire qui se propage du centre de l’interaction jusqu’aux bouts des tiges de SLI et SLV. Ces études de RMN permettent donc de mieux comprendre la stabilité exceptionnelle de l’interaction kissing-loop I/V au niveau structural et mènent à l’élaboration d’un modèle cinétique de l’activation du substrat par le ribozyme VS. En considérant l’ensemble des données d’ITC et de RMN, l’étonnante stabilité de l’interaction I/V s’explique probablement par une combinaison de facteurs, dont les motifs U-turn, la présence d’un nucléotide exclu de la boucle de SLV (U700), la liaison de cations magnésium et l’empilement de bases continu à la jonction I/V.

Études structurales par résonance magnétique nucléaire du ribozyme VS de Neurospora

Le ribozyme VS de Neurospora catalyse des réactions de clivage et de ligation d’un lien phosphodiester spécifique essentielles à son cycle de réplication. Il est formé de six régions hélicales (I à VI), qui se divisent en deux domaines, soit le substrat (SLI) et le domaine catalytique (tiges II à VI). Ce dernier comprend deux jonctions à trois voies qui permettent de reconnaître le substrat en tige-boucle de façon spécifique. Ce mode de reconnaissance unique pourrait être exploité pour cibler des ARN repliés pour diverses applications. Bien que le ribozyme VS ait été caractérisé biochimiquement de façon exhaustive, aucune structure à haute résolution du ribozyme complet n’a encore été publiée, ce qui limite la compréhension des mécanismes inhérents à son fonctionnement. Précédemment, une approche de divide-and-conquer a été initiée afin d’étudier la structure des sous-domaines importants du ribozyme VS par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) mais doit être complétée. Dans le cadre de cette thèse, les structures de la boucle A730 et des jonctions III-IV-V et II-III-VI ont été déterminées par spectroscopie RMN hétéronucléaire. De plus, une approche de spectroscopie RMN a été développée pour la localisation des ions divalents, tandis que diverses approches de marquage isotopique ont été implémentées pour l’étude d’ARN de plus grandes tailles. Les structures RMN de la boucle A730 et des deux jonctions à trois voies révèlent que ces sous-domaines sont bien définis, qu’ils sont formés de plusieurs éléments structuraux récurrents (U-turn, S-turn, triplets de bases et empilement coaxial) et qu’ils contiennent plusieurs sites de liaison de métaux. En outre, un modèle du site actif du ribozyme VS a été construit sur la base des similarités identifiées entre les sites actifs des ribozymes VS et hairpin. Dans l’ensemble, ces études contribuent de façon significative à la compréhension de l’architecture globale du ribozyme VS. De plus, elles permettront de construire un modèle à haute résolution du ribozyme VS tout en favorisant de futures études d’ingénierie.

The recombinant adeno-associated virus vector (rAAV2)-mediated apolipoprotein B mRNA-specific hammerhead ribozyme: a self-complementary AAV2 vector improves the gene expression.

BACKGROUND: In humans, overproduction of apolipoprotein B (apoB) is positively associated with premature coronary artery diseases. To reduce the levels of apoB mRNA, we have designed an apoB mRNA-specific hammerhead ribozyme targeted at nucleotide sequences GUA6679 (RB15) mediated by adenovirus, which efficiently cleaves and decreases apoB mRNA by 80% in mouse liver and attenuates the hyperlipidemic condition. In the current study, we used an adeno-associated virus vector, serotype 2 (AAV2) and a self-complementary AAV2 vector (scAAV2) to demonstrate the effect of long-term tissue-specific gene expression of RB15 on the regulation apoB mRNA in vivo. METHODS: We constructed a hammerhead ribozyme RB15 driven by a liver-specific transthyretin (TTR) promoter using an AAV2 vector (rAAV2-TTR-RB15). HepG2 cells and hyperlipidemic mice deficient in both the low density lipoprotein receptor and the apoB mRNA editing enzyme genes (LDLR-/-Apobec1-/-; LDb) were transduced with rAAV2-TTR-RB15 and a control vector rAAV-TTR-RB15-mutant (inactive ribozyme). The effects of ribozyme RB15 on apoB metabolism and atherosclerosis development were determined in LDb mice at 5-month after transduction. A self-complementary AAV2 vector expressing ribozyme RB15 (scAAV2-TTR-RB15) was also engineered and used to transduce HepG2 cells. Studies were designed to compare the gene expression efficiency between rAAV2-TTR-RB15 and scAAV2-TTR-RB15. RESULTS: The effect of ribozyme RB15 RNA on reducing apoB mRNA levels in HepG2 cells was observed only on day-7 after rAAV2-TTR-RB15 transduction. And, at 5-month after rAAV2-TTR-RB15 treatment, the apoB mRNA levels in LDb mice were significantly decreased by 43%, compared to LDb mice treated with control vector rAAV2-TTR-RB15-mutant. Moreover, both the rAAV2-TTR-RB15 viral DNA and ribozyme RB15 RNA were still detectable in mice livers at 5-month after treatment. However, this rAAV2-TTR-RB15 vector mediated a prolonged but low level of ribozyme RB15 gene expression in the mice livers, which did not produce the therapeutic effects on alteration the lipid levels or the inhibition of atherosclerosis development. In contrast, the ribozyme RB15 RNA mediated by scAAV2-TTR-RB15 vector was expressed immediately at day-1 after transduction in HepG2 cells. The apoB mRNA levels were decreased 47% (p = 0.001), compared to the control vector scAAV2-TTR-RB15-mutant. CONCLUSION: This study provided evidence that the rAAV2 single-strand vector mediated a prolonged but not efficient transduction in mouse liver. However, the scAAV2 double-strand vector mediated a rapid and efficient gene expression in liver cells. This strategy using scAAV2 vectors represents a better approach to express small molecules such as ribozyme.

Ribozyme-mediated reduction of wild-type and mutant cartilage oligomeric matrix protein (COMP) mRNA and protein.

Dominant-negative mutations in the homopentameric extracellular matrix glycoprotein cartilage oligomeric matrix protein (COMP) result in inappropriate intracellular retention of misfolded COMP in the rough endoplasmic reticulum of chondrocytes, causing chondrocyte cell death, which leads to two skeletal dysplasias: pseudoachondroplasia (PSACH) and multiple epiphyseal dysplasia (EDM1). COMP null mice show no adverse effects on normal bone development and growth, suggesting a possible therapy involving removal of COMP mRNA. The goal of this study was to assess the ability of a hammerhead ribozyme (Ribo56, designed against the D469del mutation) to reduce COMP mRNA expression. In COS7 cells transfected with plasmids that overexpress wild-type or mutant COMP mRNA and Ribo56, the ribozyme reduced overexpressed normal COMP mRNA by 46% and mutant COMP mRNA by 56% in a dose-dependent manner. Surprisingly, the use of recombinant adenoviruses to deliver wild-type or mutant COMP mRNA and Ribo56 simultaneously into COS7 cells proved problematic for the activity of the ribozyme to reduce COMP expression. However, in normal human costochondral cells (hCCCs) infected only with adenoviruses expressing Ribo56, expression of endogenous wild-type COMP mRNA was reduced in a dose-dependent manner by 50%. In chondrocytes that contain heterozygous COMP mutations (D469del, G427E and D511Y) that cause PSACH, Ribo56 was more effective at reducing COMP mRNA (up to 70%). These results indicate that Ribo56 is effective at reducing mutant and wild-type COMP levels in cells and suggests a possible mode of therapy to reduce the mutant protein load.

Three metal ions at the active site of the Tetrahymena group I ribozyme

Metal ions are critical for catalysis by many RNA and protein enzymes. To understand how these enzymes use metal ions for catalysis, it is crucial to determine how many metal ions are positioned at the active site. We report here an approach, combining atomic mutagenesis with quantitative determination of metal ion affinities, that allows individual metal ions to be distinguished. Using this approach, we show that at the active site of the Tetrahymena group I ribozyme the previously identified metal ion interactions with three substrate atoms, the 3′-oxygen of the oligonucleotide substrate and the 3′- and 2′-moieties of the guanosine nucleophile, are mediated by three distinct metal ions. This approach provides a general tool for distinguishing active site metal ions and allows the properties and roles of individual metal ions to be probed, even within the sea of metal ions bound to RNA.