Kinetic mechanism for viral dsRNA length discrimination by MDA5 filaments

Kinetic mechanism for viral dsRNA length discrimination by MDA5 filaments
Alys Peisley*, Myung Hyun Jo*, Cecilie Lind, Bin Wu, McGhee Orme-Johnson, Thomas Walz, Sungchul Hohng, and Sun Hur
(*equal contribution, 본 연구는 홍성철 교수님 연구실과 Harvard Medical School의 Sun Hur 교수님 연구팀이 공동으로 진행하였습니다.)

바이러스 센서인 MDA5는 어떤 dsRNA가 자체의 것인지 (체내 RNA는 길이가 짧음) 외부 바이러스에서 유입된 것인지를 길이를 기준으로 (~0.5-7 kb) 판단한다. 이 정도 긴 스케일의 dsRNA의 길이를 판별하는 것은 다른 면역 시스템 센서 중 MDA5만이 가진 기능으로 본 연구팀은 선행연구를 통해 MDA5가 dsRNA에 필라멘트를 형성하고 ATP 과정을 통해 떨어져 나간다는 것을 보고한 바 있다. 본 고에서는 MDA5의 dsRNA 친화력이 길이의존도가 크지 않아 필라멘트 형성만으로는 MDA5의 길이 특이성을 설명하기에 충분하지 못하다는 것을 보였으며, 대신 MDA5 필라멘트가 끝에서부터 분리되어 나가고 새로운 MDA5 필라멘트가 형성되는 과정은 매우 느리다는 특성이 짧은 dsRNA는 빠르게 버리고 충분히 긴 dsRNA 위에서만 길이가 길어지고 짧아지면서 추가적인 nucleation 과정이 필요없이 필라멘트를 유지하게 한다는 것을 실시간 단일 분자 형광 이미징 등을 이용하여 밝혀 냈다. MDA5는 이러한 반복적인 필라멘트 형성-분해-재형성 과정을 동시에 한 dsRNA의 여러 지점에서 nucleation이 일어남으로 해서 생겨날 수 있는 불연속점을 제거하는데도 사용하여 더 길고 연속적인 필라멘트를 형성하게 하고, 이는 더 정확하게 RNA의 길이를 판별하게 한다. 연속적인 필라멘트의 길이가 MDA5-dsRNA 결합의 안정성을 결정하기 대문에 이 메커니즘은 어떻게 MDA5가 외부에서 침입한 RNA을 자신의 RNA와 구분하는지 보여준다고 할 수 있다.

Abstract: The viral sensor MDA5 distinguishes between cellular and viral dsRNAs by length-dependent recognition in the range of∼0.5–7 kb. The ability to discriminate dsRNA length at this scale sets MDA5 apart from other dsRNA receptors of the immune system. We have shown previously that MDA5 forms filaments along dsRNA that disassemble upon ATP hydrolysis. Here, we demonstrate that filament formation alone is insufficient to explain its length specificity, because the intrinsic affinity of MDA5 for dsRNA depends only moderately on dsRNA length. Instead, MDA5 uses a combination of end disassembly and slow nucleation kinetics to “discard” short dsRNA rapidly and to suppress rebinding. In contrast, filaments on long dsRNA cycle between partial end disassembly and elongation, bypassing nucleation steps. MDA5 further uses this repetitive cycle of assembly and disassembly processes to repair filament discontinuities, which often are present because of multiple, internal nucleation events, and to generate longer, continuous filaments that more accurately reflect the length of the underlying dsRNA scaffold. Because the length of the continuous filament determines the stability of the MDA5–dsRNA interaction, the mechanism proposed here provides an explanation for how MDA5 uses filament assembly and disassembly dynamics to discriminate between self vs. nonself dsRNA.