EN | DE

Jun. Prof. Redmond Smyth

Genom-Architektur und Evolution von RNA-Viren

Die Arbeitsgruppe von Redmond Smyth untersucht, wie RNA-Viren die Struktur von RNA während ihrer Replikation und Evolution einsetzen. Ziel des Teams ist es, ihr Wissen über die Architektur von RNA-Genomen zu nutzen, um die Entwicklung von maßgeschneiderten RNA-basierten Therapeutika zu ermöglichen.

Unsere Forschung

RNA-Viren spielen eine wichtige Rolle als Erreger neu auftretender Infektionskrankheiten. Die meisten gängigen antiviralen Medikamente und Pharmazeutika zielen dabei auf Proteine ab. Innerhalb der viralen Genome sind es jedoch häufig RNA-Strukturen, die mit Proteinen des Virus und des Wirts interagieren und damit eine neuartige Angriffsfläche für Medikamente bieten. Für die Entwicklung solcher neuartiger RNA-basierter Therapeutika ist zunächst ein detailliertes Verständnis dieser Prozesse notwendig.

Redmond Smyth und sein Team untersuchen RNA-basierte Mechanismen der Vermehrung (Replikation) und Evolution von RNA-Viren. Bei ihrer Arbeit setzen sie eine Kombination aus molekularer Virologie, RNA-Biochemie und mathematischer Modellierung ein.

Ihr Ziel ist es, essentielle RNA-Strukturen als neue Ansatzpunkte zur Bekämpfung von Viren zu identifizieren und zu verstehen, wie die RNA-Struktur die Evolution von Viren beeinflusst, um so bessere Impfstoffe und Pandemievorbereitung zu ermöglichen. Ihre aktuelle Arbeit konzentriert sich auf die Analyse von Einzelmolekülen- und Einzel-Virionen unter Verwendung von genomweiten chemischen Hochdurchsatz-Sondierungstechnologien sowie mutationsbasierten funktionellen Screens. Darüber hinaus entwickeln die Forscher neue Technologien wie RNA-RNA-seq, Einzelmolekül-RNA-Struktursondierung und sequenzgekoppelte Mikroskopie. Das übergreifende Ziel der Gruppe ist es, das Wissen über die Genomarchitektur von RNA-Viren zu nutzen, um RNA-basierte Therapien voranzutreiben.

Team-Mitglieder

Forschungsprojekte

RNA ist ein vielseitiges Molekül. Sie ist Botenmolekül für die Proteinsynthese, verfügt aber ebenfalls über nicht-kodierende Elemente. Diese nicht-kodierenden Elemente regulieren die Aktivität von Zellen durch spezifische Interaktionen mit Proteinen, kleinen Molekülen und sogar anderen Nukleinsäuren. RNA-Viren nutzen diese nicht-kodierenden RNA-Elemente in fast jeder Phase ihres Vermehrungszyklus aus, um das Spleißen, die Translation, das Umgehen der Wirtszellabwehr, die virale Evolution und die Zugänglichkeit für die Bindung von Medikamenten zu beeinflussen. Diese Eigenschaften haben einen Vorteil: Nicht-kodierende RNA kann das nützliche Ziel antiviraler Interventionen sein. Und dies könnte die Behandlung von Infektionskrankheiten revolutionieren.

Die Arbeitsgruppe verwendet einen integrativen strukturellen, funktionellen und evolutionären Ansatz zur Entdeckung und mechanistischen Charakterisierung von nicht-kodierenden RNA-Strukturen, die an der Replikation und Evolution von Viren beteiligt sind. Bei RNA ist es, genau wie bei Proteinen, in der Regel die übergeordnete Struktur und nicht die Primärsequenz, die ihre Funktion bestimmt. Wir wissen noch nicht genau, wie genau die RNA-Struktur verschiedene biologische Funktionen steuert. Darüber hinaus erfährt RNA leicht strukturelle Veränderungen, die es ihr ermöglichen, zwischen verschiedenen Funktionen bzw. An- und Aus-Zuständen zu wechseln oder in verschiedenen Umgebungen und in Gegenwart von Liganden spezifische Faltungen anzunehmen. Diese Dynamik der RNA hat traditionell die strukturelle Charakterisierung der RNA durch biochemische und biophysikalische Ansätze vereitelt. Die Nachwuchsgruppe von Redmond Smyth arbeitet daran, die Beziehung zwischen Struktur und -Funktion von RNA zu entschlüsseln. Dafür entwickeln die Forscher neue Methoden zur Untersuchung der RNA-Strukturdynamik. Langfristig soll dieses Wissen der Entwicklung kleinmolekularer Medikamente nutzen, die als neuartige antivirale Strategie in die RNA-Struktur eingreifen.

Ein weiteres zentrales Thema ist die Frage, wie RNA-Struktur die virale Evolution beschränkt. Retroviren, wie z.B. HIV, verpacken zwei Kopien ihres RNA-Genoms in jedes Virion. Das ermöglicht Rekombination (Template-Switching) und die Bildung von Genom-Chimären während der Replikation. Eine andere weit verbreitete Strategie, die bei Rotaviren und Grippeviren beobachtet wird, ist die Segmentierung des Genoms, die zu einer genetischen Neuanordnung (Reassortment) führt. Reassortment und Rekombination sind Prozesse, die nicht zufällig stattfinden und von denen bekannt ist, dass sie von der RNA-Sequenz und -Struktur abhängen. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bisher jedoch nur unzureichend erforscht. Die Nachwuchsgruppe von Redmond Smyth untersucht diese Mechanismen mit dem Ziel, Strategien zur Vorbeugung und Bekämpfung von Krankheiten zu verbessern. Es gilt, die Entstehung neuer Virusstämme auf der Bevölkerungsebene zu verstehen, beispielsweise potenziell pandemischer Grippeviren, die durch die genetische Neuanordnung des viralen Genoms in Menschen, Schweinen oder Vögeln entstehen. Auf individueller Ebene geht es um die Frage, wie die RNA-Struktur dazu beiträgt, das Immunsystem zu umgehen und die Entstehung arzneimittelresistenter Viren begünstigt. Diese grundlegenden Erkenntnisse sollen es in Zukunft ermöglichen, die Rekombination und genetische Neuanordnung zur Entwicklung sicherer Gentherapie-Vektoren und leistungsfähiger neuer Impfstoffplattformen zu nutzen.

Publikationen

2019

The evolution of RNA structural probing methods: From gels to next-generation sequencing

Mailler E, Paillart J, Marquet R, Smyth RP, Vivet-Boudou V (2019)

Wiley Interdisciplinary Reviews: RNA 10 (2): 1518

2018

In cell mutational interference mapping experiment (in cell MIME) identifies the 5' polyadenylation signal as a dual regulator of HIV-1 genomic RNA production and packaging

Smyth RP, Smith MR, Jousset A, Despons L, Laumond G, Decoville T, Cattenoz P, Moog C, Jossinet F, Mougel M, …, Kleist M, Marquet R (2018)

Nucleic Acids Research 46 (9): 57

RNA Structure - A Neglected Puppet Master for the Evolution of Virus and Host Immunity

Smyth RP, Negroni M, Lever AM, Mak J, Kenyon JC (2018)

Frontiers in Immunology 9: 2097

Structural and Functional Motifs in Influenza Virus RNAs

Ferhadian D, Contrant M, Printz-Schweigert A, Smyth RP, Paillart J, Marquet R (2018)

Frontiers in Microbiology 9: 559

2017

HIV-1 Pr55Gag binds genomic and spliced RNAs with different affinity and stoichiometry

Bernacchi S, Abd El-Wahab EW, Dubois N, Hijnen M, Smyth RP, Mak J, Marquet R, Paillart J (2017)

RNA Biology 14 (1): 90-103

2016

HIV-1 Mutation and Recombination Rates Are Different in Macrophages and T-cells

Cromer D, Schlub TE, Smyth RP, Grimm AJ, Chopra A, Mallal S, Davenport MP, Mak J (2016)

Viruses 8 (4): 118

A step forward understanding HIV-1 diversity

Smyth RP, Negroni M (2016)

Retrovirology 13: 27

The Life-Cycle of the HIV-1 Gag-RNA Complex

Mailler E, Bernacchi S, Marquet R, Paillart J, Vivet-Boudou V, Smyth RP (2016)

Viruses 8 (9): 248

MIMEAnTo: profiling functional RNA in mutational interference mapping experiments

Smith MR, Smyth RP, Marquet R, Kleist M (2016)

Bioinformatics 32 (21): 3369-3370

2015

Mutational interference mapping experiment (MIME) for studying RNA structure and function

Smyth RP, Despons L, Huili G, Bernacchi S, Hijnen M, Mak J, Jossinet F, Weixi L, Paillart J, Kleist M, Marquet R (2015)

Nature Methods 12 (9): 866-72

Evaluation of anti-HIV-1 mutagenic nucleoside analogues

Vivet-Boudou V, Isel C, El Safadi Y, Smyth RP, Laumond G, Moog C, Paillart J, Marquet R (2015)

The Journal of Biological Chemistry 290 (1): 371-83

Properties of HIV-1 associated cholesterol in addition to raft formation are important for virus infection

Hawkes D, Jones KL, Smyth RP, Pereira CF, Bittman R, Jaworowski A, Mak J (2015)

Virus Research 210: 18-21

2014

Specific recognition of the HIV-1 genomic RNA by the Gag precursor

Abd El-Wahab EW, Smyth RP, Mailler E, Bernacchi S, Vivet-Boudou V, Hijnen M, Jossinet F, Mak J, Paillart J, Marquet R (2014)

Nature Communications 5: 4304

Identifying recombination hot spots in the HIV-1 genome

Smyth RP, Schlub TE, Grimm AJ, Waugh C, Ellenberg P, Chopra A, Mallal S, Cromer D, Mak J, Davenport MP (2014)

Journal of Virology 88 (5): 2891-902

Fifteen to twenty percent of HIV substitution mutations are associated with recombination

Schlub TE, Grimm AJ, Smyth RP, Cromer D, Chopra A, Mallal S, Venturi V, Waugh C, Mak J, Davenport MP (2014)

Journal of Virology 88 (7): 3837-49

2013

Improved quantification of HIV-1-infected CD4+ T cells using an optimised method of intracellular HIV-1 gag p24 antigen detection

Yang H, Yorke E, Hancock G, Clutton G, Sande N, Angus B, Smyth RP, Mak J, Dorrell L (2013)

Journal of Immunological Methods 391 (1-2): 174-8

Intracellular Dynamics of HIV Infection

Petravic J, Ellenberg P, Chan M, Paukovics G, Smyth RP, Mak J, Davenport MP (2013)

Journal of Virology 88 (2): 1113-24

A functional sequence-specific interaction between influenza A virus genomic RNA segments

Gavazzi C, Yver M, Isel C, Smyth RP, Rosa-Calatrava M, Lina B, Moulès V, Marquet R (2013)

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110 (41): 16604-9

2012

The Origin of Genetic Diversity in HIV-1

Smyth RP, Davenport MP, Mak J (2012)

Virus Research 169 (2): 415-29

2011

8-Modified-2'-deoxyadenosine analogues induce delayed polymerization arrest during HIV-1 reverse transcription

Vivet-Boudou V, Isel C, Sleiman M, Smyth RP, Ben Gaied N, Barhoum P, Laumond G, Bec G, Götte M, Mak J, …, Burger A, Marquet R (2011)

PLOS One 6 (11): 27456

Early events of HIV-1 infection: can signaling be the next therapeutic target?

Jones KL, Smyth RP, Pereira CF, Cameron PU, Lewin SR, Jaworowski A, Mak J (2011)

Journal of neuroimmune pharmacology : the official journal of the Society on NeuroImmune Pharmacology 6 (2): 269-83

Labeling of multiple HIV-1 proteins with the biarsenical-tetracysteine system

Pereira CF, Ellenberg PC, Jones KL, Fernandez TL, Smyth RP, Hawkes DJ, Hijnen M, Vivet-Boudou V, Marquet R, Johnson I, Mak J (2011)

PLOS One 6 (2): 17016

2010

Accurately measuring recombination between closely related HIV-1 genomes

Schlub TE, Smyth RP, Grimm AJ, Mak J, Davenport MP (2010)

PLOS Computational Biology 6 (4): 10007

Reducing chimera formation during PCR amplification to ensure accurate genotyping

Smyth RP, Schlub TE, Grimm A, Venturi V, Chopra A, Mallal S, Davenport MP, Mak J (2010)

Gene 469 (1-2): 45-51

2009

The A-rich RNA sequences of HIV-1 pol are important for the synthesis of viral cDNA

Keating CP, Hill MK, Hawkes DJ, Smyth RP, Isel C, Le S, Palmenberg AC, Marshall JA, Marquet R, Nabel GJ, Mak J (2009)

Nucleic Acids Research 37 (3): 945-56