mRNAs von Viren: Evolution und Struktur-Funktionsbeziehungen

Die hohe Rate viraler Evolution ist ein wesentlicher Faktor für deren Ausweichen vor dem Immunsystem des Hosts und ein bedeutsames Problem bei der Entwicklung von Impfstoffen. Die Anzahl bekannter Mutationen, die zu Wirkstoff-Resistenzen von Viren führen, wächst rasant. Gleichzeitig ist jedoch die virale Sequenzdiversität durch die Notwendigkeit der Erhaltung einer stabilen Proteinstruktur und funktion beschränkt. Im Gegensatz zur bisherigen Annahme, dass die Aminosäuresequenz eines Proteins allein seine Expression, Faltung und Funktion bestimmt, verdichten sich die Hinweise auf die Bedeutung "stiller" Mutationen und der Struktur der mRNA auf die Proteinfunktion. Bislang sind Struktur-Funktions-Beziehungen viraler RNAs jedoch weitgehend unerforscht. Aktuelle Verbesserungen der experimentellen und Computermethoden zur Bestimmung und Vorhersage von RNA- Strukturen sowie die massive Zunahme der komplett sequenzierten viralen Genome erlauben eine erste systematische Studie der Organisation des Faltungsraums codierender RNA-Strukturen in Viren. Ziel dieses Antrags ist es zu verstehen, wie Basenpaarungsmuster die genetische Diversität von Viren beschränken und damit deren Pathogenese maßgeblich beeinflussen. Das Hauptziel dieses Antrags ist die Erforschung der Frage, wie virale Genome funktionelle Information auf unterschiedlichen Ebenen ihrer strukturellen Organisation repräsentieren, insbesondere in der Sekundärstruktur der RNA. Die Sequenzen werden dazu sowohl nach Sequenz- als auch nach Struktureigenschaften gruppiert. Eine umfassendes Repertoire bioinformatischer Methoden wird daraus eine virale "Strukturom"-Datenbank erzeugen, basierend auf Phylogenie, Thermodynamik und Sequenzanalyse. Eine simultane Analyse der viralen Evolution auf den Ebenen der Primär- und Sekundärstruktur wird anhand von großangelegten Sequenzanalysen, Strukturvorhersage und Clustering völlig neuartige Einblicke in die Beeinflussung von Aminosäuresequenzen durch Selektion auf der Ebene der RNA erlauben. Es werden ein umfassender Katalog von viralen RNA-Motiven erstellt und deren Bedeutung für die Robustheit von Viren untersucht. Dadurch werden wir die differenzielle Sequenzdiversität von Viren mit ihrem klinischen Erscheinungsbild verbinden. Wir werden die evolutionären und biologischen Faktoren untersuchen, die für die Ausbildung von RNAStrukturelementen mit ihrer Bedeutung für die Genomstruktur Replikation, Proteinexpression, Interaktion mit dem Host sowie dem Überwinden von dessen Abwehrsystemen von Bedeutung sind. Darüberhinaus wird untersucht, warum einige Viren im Gegensatz zu anderen klar definierte Sekundärstrukturen besitzen, und welche Rolle diese in der Virulenz, Gewebespezifität, Anpassung an den Host und Übertragung zwischen Spezies spielen. Wir wollen somit verstehen, wie die Ausprägung von RNA-Strukturen die Genexpression unterstützt oder einschränkt, und somit die Prinzipien erkennen, um durch die Modifikation von Gensequenzen deren Sekundärstrukturen und somit Expressionsgrad steuern zu können. Langfristiges Ziel ist die Erstellung eines Kompendiums viraler mRNA-Strukturelemente in Form einer regelmäßig aktualisieren öffentlichen Ressource.

Die hohe Rate viraler Evolution ist ein wesentlicher Faktor für deren Ausweichen vor dem Immunsystem des Hosts und ein bedeutsames Problem bei der Entwicklung von Impfstoffen. Die Anzahl bekannter Mutationen, die zu Wirkstoff-Resistenzen von Viren führen, wächst rasant. Gleichzeitig ist jedoch die virale Sequenzdiversität durch die Notwendigkeit der Erhaltung einer stabilen Proteinstruktur und funktion beschränkt. Im Gegensatz zur bisherigen Annahme, dass die Aminosäuresequenz eines Proteins allein seine Expression, Faltung und Funktion bestimmt, verdichten sich die Hinweise auf die Bedeutung stiller Mutationen und der Struktur der mRNA auf die Proteinfunktion. Bislang waren Struktur- Funktions-Beziehungen viraler RNAs jedoch weitgehend unerforscht. Aktuelle Verbesserungen der experimentellen und Computermethoden zur Bestimmung und Vorhersage von RNA-Strukturen sowie die massive Zunahme der komplett sequenzierten viralen Genome erlaubten eine erste systematische Studie der Organisation des Faltungsraums codierender RNA-Strukturen in Viren. Ziel dieses Antrags war es zu verstehen, wie Basenpaarungsmuster die genetische Diversität von Viren beschränken und damit deren Pathogenese maßgeblich beeinflussen. Das Hauptziel dieses Antrags ist die Erforschung der Frage, wie virale Genome funktionelle Information auf unterschiedlichen Ebenen ihrer strukturellen Organisation repräsentieren, insbesondere in der Sekundärstruktur der RNA. Die Sequenzen wurden dazu sowohl nach Sequenz- als auch nach Struktureigenschaften gruppiert. Ein umfassendes Repertoire bioinformatischer Methoden erlaubte uns, daraus eine virales Strukturom zu erzeugen, basierend auf Phylogenie, Thermodynamik und Sequenzanalyse. Eine simultane Analyse der viralen Evolution auf den Ebenen der Primär- und Sekundärstruktur wurde anhand von großangelegten Sequenzanalysen, Strukturvorhersage und Clustering durchgeführt. Es wurde ein umfassender Katalog von viralen Proteinfamilien und RNA-Motiven erstellt und deren Bedeutung für die Robustheit von Viren untersucht. Langfristiges Ziel, über den Antrag hinaus, ist die Bereitstellung eines Kompendiums viraler Proteinfamilien und mRNA- Strukturelemente in Form einer regelmäßig aktualisieren öffentlichen Ressource (http://vogdb.org).