Onderzoekers ontrafelen het moleculaire replicatieproces van covid-19

Is er een manier om SARS-CoV-2 te stoppen? Een internationaal consortium, geleid door biofysicus David Dulin van de VU Amsterdam en in samenwerking met Martin Depken van de TU Delft, heeft onderzocht hoe het replicatieproces van het genetisch materiaal van dit virus op moleculair niveau beïnvloed kan worden.  Als dit proces kan worden stopgezet, kan het virus zich niet vermenigvuldigen en dus ook niet verspreiden in het lichaam. De resultaten van de studie zijn recentelijk gepubliceerd in Cell Reports en eLife.

Moleculaire medicijnen

Virussen zoals SARS-CoV-2 dringen menselijke cellen binnen en kunnen vervolgens de controle overnemen, waarbij ze belangrijke energiebronnen en bouwstenen gebruiken voor de productie van nieuwe virusdeeltjes. Essentieel in dit proces is de duplicatie van het genetische materiaal, dat bestaat uit de letters  A, C, G en U van het genetische alfabet. Als deze letters, ook wel nucleotiden genoemd, in de juiste volgorde aaneen geregen worden ontstaat er een lang RNA-molecuul, een nieuwe virusblauwdruk.

Het produceren van dit nieuwe virale RNA is de sleutel van de reproductie van het virus en er wordt daarom veel onderzoek gedaan naar het ontwikkelen van moleculaire medicijnen die dit proces kunnen verstoren. Zulke medicijnen zijn moleculen die natuurlijke nucleotiden goed nabootsen en heten nucleotide analogen. Nucleotide analogen kunnen door eiwitten van een virus ingebouwd worden in het nieuwe RNA tijdens het replicatieproces. 

Het RNA-polymerase is het eiwit verantwoordelijk voor het maken van het nieuwe virale RNA. Wanneer een RNA-polymerase een nucleotide analoog inbouwt, dan gaat de synthese van het RNA echter langzamer dan bij het inbouwen van de natuurlijke letters A, C, G of U. Soms stopt het proces zelfs helemaal. Zijn er al zulke nucleotide analogen beschikbaar? Ja, het welbekende remdesivir valt in deze categorie en is goedgekeurd door de regelgevende instanties in verschillende landen voor de behandeling van Covid-19.

Drie verschillende routes

Hoe kan onderzoek naar het replicatieproces bijdragen aan het ontwerpen van potentiële nieuwe nucleotide analogen, en dus medicijnen? Het is belangrijk om in detail te begrijpen hoe de selectie en de opname van nucleotide analogen in het virale RNA plaatsvindt door het RNA-polymerase. Om dit te bereiken hebben biofysici een nieuwe methode ontwikkeld om SARS-CoV-2 polymerase-moleculen heel precies te volgen tijdens het replicatieproces. Hiermee hebben zij aangetoond (recentelijk gepubliceerd in Cell Reports) dat er drie verschillende manieren of ‘routes’ zijn dat het polymerase gebruikt voor de opname van de natuurlijke nucleotiden. Afhankelijk van de route, zullen er af en toe mutaties optreden, belangrijk voor de evolutie van het virus. “We begrijpen nu hoe het coronavirus nucleotiden selecteert en toevoegt aan het gekopieerde RNA tijdens het replicatieproces”, zegt senior auteur David Dulin.

Of een antivirus nucleotide analoog een doeltreffende invloed heeft, wordt bepaald door hoe goed het wordt opgenomen door het RNA-polymerase in competitie met de natuurlijke nucleotiden die volop aanwezig zijn in de cel. Het kunnen duiden van de rollen die de drie verschillende manieren tijdens het selectie- en opnameproces van een nucleotide analoog spelen, helpt hierbij. Verder onderzoek heeft namelijk aangetoond dat het specifieke type van de chemische modificatie aan de nucleotide bepaalt via welke route de incorporatie in het groeiende RNA plaatsvindt. Omdat elke manier met een verschillende waarschijnlijkheid plaatsvindt, bepaalt dit de werkzaamheid van het nucleotide analoog tegen het virus. “Het is gaaf dat ons onderzoek kan bijdragen aan een rationeel ontwerp voor nieuwe nucleotide analogen die goed worden opgenomen en daardoor een potentiële kans hebben op therapeutische werkzaamheid tegen het virus”, vertelt coauteur Martin Depken van de TU Delft. Deze resultaten zijn gepubliceerd in eLife.

“Het zal waarschijnlijk wel enige tijd duren, mogelijk jaren, voordat deze bevindingen leiden tot een therapeutische manier om Covid-19 te behandelen”, legt coauteur Craig Cameron, viroloog aan UNC Chapel Hill, uit. “Tot nu toe zijn er alleen bekende antivirale medicijnen aangepast, die al werkzaam waren tegen andere virussen. We wisten niet wat een nucleotide analoog een goed substraat maakt specifiek voor het RNA-polymerase van het coronavirus. Nu kunnen we de volgende generatie nucleotide analogen rationeel ontwerpen, waarbij ons werk een belangrijke stap in de richting is om dat doel te bereiken.”