Lukáš Pekárek

• The RNAs of many viruses contain a frameshift stimulatory element (FSE) that grants access to an alternate reading frame via −1 programmed ribosomal frameshifting (PRF). This −1PRF is essential for effective viral replication. The −1PRF efficiency relies on the presence of conserved RNA elements within the FSE, such as a slippery sequence, spacer, and a downstream secondary structure – often a hairpin or a pseudoknot. The PRF efficiency is also affected by trans-acting factors such as proteins, miRNAs and metabolites. The interactions of theseThe RNAs of many viruses contain a frameshift stimulatory element (FSE) that grants access to an alternate reading frame via −1 programmed ribosomal frameshifting (PRF). This −1PRF is essential for effective viral replication. The −1PRF efficiency relies on the presence of conserved RNA elements within the FSE, such as a slippery sequence, spacer, and a downstream secondary structure – often a hairpin or a pseudoknot. The PRF efficiency is also affected by trans-acting factors such as proteins, miRNAs and metabolites. The interactions of these factors with the RNA and the translation machinery have not yet been completely understood. Traditional ensemble methods used previously to study these events focus on the whole population of molecular species. This results in innate averaging of the molecular behavior and a loss of heterogeneity information. Here, we first established the experimental workflow to study the RNA structures and the effect of potential trans-acting factors using single-molecule force spectroscopy technique, optical tweezers. Additionally, to streamline the data analysis, we developed an algorithm for automatized data processing. Next, we harnessed this knowledge to study viral RNA elements responsible for stimulation of PRF and how the presence of trans-acting factors affects the RNA behavior. We further complemented these single-molecule structural data with ensemble functional assays to gain a complex view on the dynamics behind the programmed ribosomal frameshifting. Specifically, two different viral RNA elements have been studied in the presented work. First, the dynamics of SARS-CoV-2 FSE and the role of extended sequences have been explored. Then, the mode of action of the host-encoded trans-acting factor ZAP-S inhibition of SARS-CoV-2 PRF has been examined. Finally, the mechanism of the trans-acting viral factor induced PRF in Encephalomyocarditis virus (EMCV) has been uncovered.…
• Die RNAs vieler Viren enthalten ein Lese-Rasterverschiebung-stimulierendes Element (FSE), das über die −1 programmierte ribosomale Rasterverschiebung (PRF) Zugriff auf einen alternativen Leserahmen gewährt. Dieser −1PRF ist für eine effektive Virusreplikation unerlässlich. Die −1PRF-Effizienz beruht auf dem Vorhandensein konservierter RNA-Elemente innerhalb des FSE, wie z.B. einer Slippery-Sequenz, einem Platzhalter und einer nachgelagerten Sekundärstruktur – oft eine Haarnadel oder ein Pseudoknoten. Die −1PRF-Effizienz wird auch durchDie RNAs vieler Viren enthalten ein Lese-Rasterverschiebung-stimulierendes Element (FSE), das über die −1 programmierte ribosomale Rasterverschiebung (PRF) Zugriff auf einen alternativen Leserahmen gewährt. Dieser −1PRF ist für eine effektive Virusreplikation unerlässlich. Die −1PRF-Effizienz beruht auf dem Vorhandensein konservierter RNA-Elemente innerhalb des FSE, wie z.B. einer Slippery-Sequenz, einem Platzhalter und einer nachgelagerten Sekundärstruktur – oft eine Haarnadel oder ein Pseudoknoten. Die −1PRF-Effizienz wird auch durch trans-aktive Faktoren wie Proteine, miRNAs und Metaboliten beeinflusst. Die Wechselwirkungen dieser Faktoren mit der RNA und der Translationsmaschinerie sind noch nicht vollständig verstanden. Traditionelle Ensemble-Methoden, die früher zur Untersuchung dieser Ereignisse verwendet wurden, konzentrieren sich auf die gesamte Population molekularer Spezies. Dies führt zu einer inhärenten Durchschnittsbildung des molekularen Verhaltens und einem Verlust von Heterogenitätsinformationen. Hier haben wir zunächst den experimentellen Arbeitsablauf zur Untersuchung der RNA-Strukturen und der Wirkung potenzieller trans-aktiver Faktoren mithilfe der Einzelmolekül-Kraftspektroskopietechnik Optischer Pinzetten etabliert. Um die Datenanalyse zu optimieren, haben wir außerdem einen Algorithmus zur automatisierten Datenverarbeitung entwickelt. Als nächstes nutzten wir dieses Wissen, um virale RNA-Elemente zu untersuchen, die für die Stimulierung von −1PRF verantwortlich sind, und wie sich das Vorhandensein trans-aktiver Faktoren auf das Verhalten der RNA auswirkt. Wir haben diese Einzelmolekülstrukturdaten weiter durch Ensemble-Funktionsassays ergänzt, um einen komplexen Überblick über die Dynamik hinter der programmierten ribosomalen Rasterverschiebung zu erhalten. Konkret wurden in der vorgestellten Arbeit zwei verschiedene virale RNA-Elemente untersucht. Zunächst wurden die Dynamik des SARS-CoV-2-FSE und die Rolle erweiterter Sequenzen untersucht. Anschließend wurde die hemmende Wirkungsweise des vom Wirt kodierten trans-wirkenden Faktors ZAP-S auf SARS-CoV-2-PRF untersucht. Schließlich wurde der Mechanismus der, durch den trans-aktiven Virusfaktor induzierten PRF beim Enzephalomyokarditis-Virus (EMCV), entschlüsselt…