Study of RNA modification in sub-viral agents and plant viruses

• Thesis title in Czech: Studie RNA modifikací v subvirových částicích a rostlinných virech
• Thesis title in English: Study of RNA modification in sub-viral agents and plant viruses
• Key words: RNA modifikace, subvirové částice, rostlinné viry, RNA stabilita, HDV
• English key words: RNA modification, sub-viral agents, plant viruses, RNA stability, HDV
• Academic year of topic announcement: 2018/2019
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Cell Biology (31-151)
• Supervisor: Mgr. Klára Grantz Šašková, Ph.D.
• Author: hidden - assigned by the advisor
• Date of registration: 18.10.2018
• Date of assignment: 18.10.2018

References

[1] Chen, Y., Kowtoniuk, W., Agarwal, I., Shen, Y. & Liu, D. Nat. Chem. Biol. 5,879–881 (2009).
[2] Kowtoniuk, W., Shen, Y., Heemstra, J., Agarwal, I. & Liu, D. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 7768–7773 (2009).
[3] Cahová, H., Winz, M.-L., Höfer, K., Nübel, G. & Jäschke, A. Nature 519, 374-377 (2014).
[4] Jiao, X., Doamekpor, S.K., Bird, J.G., Nickels, B.E., Tong, L., Hart, R.P. Kiledjian, M. Cell168, 1015-1027 (2017).
[5] Walters, R. W., Matheny, T., Mizoue, L. S., Rao, B.S., Muhlrad, D., Parker, R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A114, 480 (2017).
[6] Hu, C.-C., Hsu, Y.-H., Lin, N.-S. Viruses 1, 1325-1350 (2009).
[7] Taylor, J.M. Virology344, 71-76 (2006).

Preliminary scope of work

Cieľom nášho výskumu je hĺbková analýza chemickej štruktúry kódujúcich i nekódujúcich molekúl vírusovej RNA s využitím metód chemickej biológie a hmotnostnej spektrometrie. Domnievame sa, že chemické modifikácie RNA zodpovedajú za väčšinu ňou vykonávaných funkcií. V súčasnosti je známych viac než sto rôznych RNA modifikácií. S využitím metódy LC/MS boli v nedávnej minulosti u prokaryotov identifikované ďalšie dve nové RNA modifikácie, Nikotínamid adenín dinukloeotid (NAD)¹ a Koenzým A (CoA)². Pomocou novo vyvinutej techniky chemickej biológie, NADcaptureSeq³, bola NAD-RNA následne identifikovaná aj v ľudských bunkách⁴ a v kvasinkách Saccharomyces cerevisiae⁵.
Vírusy sú vďaka svojmu jednoduchému vnútornému usporiadaniu a tiež vlastnej amplifikácii v hostiteľských bunkách veľmi výhodnými modelovými organizmami. Keďže však boli citlivejšie metódy pre detekciu a analýzu minoritných druhov RNA vyvinuté len veľmi nedávno, nestihli byť použité pre detekciu modifikácií kódujúcich a nekódujúcich molekúl vírusovej RNA. Popri vírusoch boli objavené i tzv. subvirálne častice, ako viriody, virusoidy (satelitné vírusy) a satelitné RNA v rastlinách⁶, a tiež ľudský vírus hepatitídy D (HDV)⁷. Niektoré z nich dokážu ovplyvňovať akumuláciu svojich pomocných vírusov a preto bývajú označované ako molekulárne parazity. Analýza chemickej štruktúry RNA týchto subvirálnych častíc dosiaľ nebola nikdy prevedená. Jej detailné poznanie by však mohlo dopomôcť k lepšiemu porozumeniu všeobecných mechanizmov pôsobenia molekúl RNA a tiež priniesť úplne nový pohľad na liečbu vírusových infekcií.
Úlohou tohto doktorského projektu bude previesť detailnú analýzu RNA modifikácií určitých rastlinných vírusov, ich satelitných vírusov a ľudského HDV. Bude použitá technika UPLC/MS a nové metódy chemickej biológie v kombinácii s novými metódami sekvenácie (next-generation sequencing).

Preliminary scope of work in English

The goal of our research is an in-depth study of the chemical structure of viral RNA molecules (both coding and non-coding) of various viruses by means of mass spectrometry (MS) and chemical biology. We believe that chemical RNA modifications are responsible for main part of various roles played by RNA (especially regulatory RNA). Nowadays, there are more than 100 RNA modifications known. Recently, the employment of sensitive liquid chromatography-mass spectrometry (LC/MS) methods led to the discovery of two new RNA modifications, Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD)¹ and Coenzyme A (CoA)² in prokaryotes. The application of selective capturing technique for NAD (NAD captureSeq)³ allowed the identification of NAD-RNA also and in human cells⁴ in Saccharomyces cerevisiae⁵.
Viruses are excellent model systems for their intrinsic simple organization and for their amplification in infected cells. The sensitive methods for the detection and analysis of low-abundant RNA species were developed only very recently and they have never been used for the detection of modifications in viral coding or non-coding RNAs. Beside the viruses, there have been discovered also so-called sub-viral agents, such as viroids, virusoids (satellite viruses) and satellite RNAs in plants⁶ and human Hepatitis delta virus (HDV)⁷. Some of them can alter the accumulation of their cognate helper viruses and thus they are considered as molecular parasite of helper virus. The detail knowledge of their chemical structure may help us to understand some mechanisms of action of RNA molecules in general and can bring us brand new insight in the therapy of viral infection.
There have never been performed any chemical analysis of such sub-viral agents RNA. As these RNA containing particles represent the frontier of life, the basic question “What RNA modification, if any, is necessary for these particles to be spread, infectious, stable and/or replicated?” should be addressed. The task of this work will be to provide detail analysis of RNA modification of certain plant viruses, their satellite viruses and human HDV. We will employ UPLC/MS technique and new methods of chemical biology to profile RNA modification in combination with next-generation sequencing.