БИОХИМИЯ, 2018, том 83, вып. 11, с. 1746–1758
УДК 577.112.7
Исследование агрегации белка NEP вируса гриппа А
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва, Россия; электронная почта: nastiagolovko@mail.ru
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет, 119991 Москва, Россия; электронная почта: koroleva@genebee.msu.ru
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, 119991 Москва, Россия; электронная почта: tolstova@physics.msu.ru, dubrovin@polly.phys.msu.ru
4 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Россия; электронная почта: kuzmina-natasha@inbox.ru
5 Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, 119071 Москва, Россия
6 НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия; электронная почта: drutsa@genebee.msu.ru
Поступила в редакцию 12.04.2018
После доработки 04.07.2018
DOI: 10.1134/S032097251811012X
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: вирус гриппа А, белок ядерного экспорта NEP, агрегация белков.
Аннотация
Белок ядерного экспорта NEP вируса гриппа А играет важную роль в жизненном цикле вируса. Выявлена высокая склонность к агрегации рекомбинантного белка NEP, полученного гетерологичной экспрессией в клетках Escherichia coli и содержащего (His)6-модуль на N– или С-конце. С использованием методов динами ческого рассеяния света были изучены кинетика и характер агрегации NEP в зависимости от условий инкубации растворов белков (pH-буфера, ионная сила, присутствие низкомолекулярных добавок и органических растворителей). Методом атомно-силовой микроскопии показано, что в исследуемых препаратах NEP преобладают сферические агрегаты, а в случае белка NEP-C наблюдается также образование амилоидоподобных удлиненных структур. С использованием ряда предсказательных методов выявлены участки, которые могут способствовать агрегации белка. С помощью полноатомного компьютерного моделирования показана высокая скорость агрегации и установлены предпочтительные области межмолекулярных контактов молекул белков, расположенные на «торцах» модели белка. Показано, что агрегация белка определяется совокупностью взаимодействий различной природы и является свойством белка, предположительно, необходимым для его функционирования in vivo.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 16-04-00563 – получение препаратов белков и исследование их агрегации методом ДРС; мол_а № 18-34-00623 – исследование морфологии наночастиц в препаратах белков методом АСМ).
Благодарности
Авторы выражают благодарность Центру коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ им. М.В. Ломоносова за предоставленное для работы оборудование.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с использованием людей и животных в качестве объектов.
Список литературы
1. Manz, B., Schwemmle, M., and Brunotte, L. (2013) Adaptation of avian Influenza A virus polymerase in mammals to overcome the host species barrier, J. Virol., 87, 7200–7209.
2. Brunotte, L., Flies, J., and Bolte, H. (2014) The nuclear export protein of H5N1 Influenza A viruses recruits matrix 1 (M1) protein to the viral ribonucleoprotein to mediate nuclear export, J. Biol. Chem., 289, 20067–20077.
3. Watanabe, K., Shimizu, T., Noda, S., Tsukahara, F., Maru, Y., and Kobayashi, N. (2014) Nuclear export of the influenza virus ribonucleoprotein complex: interaction of Hsc70 with viral proteins M1 and NS2, FEBS Open Bio, 4, 683–688.
4. Gorai, T., Goto, H., Noda, T., Watanabe, T., Kozuka-Hata, H., Oyama, M., Takano, R., Neumann, G., Watanabe, S., and Kawaoka, Y. (2012) F1F0-ATPase, F-type proton-translocating ATPase, at the plasma membrane is critical for efficient influenza virus budding, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, 4615–4620.
5. Akarsu, H., Burmeister, W.P., Petosa, C., Petit, I., Muller, C.W., Ruigrok, R.W., and Baudin, F. (2003) Crystal structure of the M1 protein-binding domain of the influenza A virus nuclear export protein (NEP/NS2), EMBO J., 22, 4646–4655.
6. Lommer, B.S., and Luo, M. (2002) Structural plasticity in influenza virus protein NS2 (NEP), J. Biol. Chem., 277, 7108–7117.
7. Darapaneni, V., Prabhaker, V.K., and Kukol, A. (2009) Large-scale analysis of influenza A virus sequences reveals potential drug target sites of non-structural proteins, J. Gen. Virol., 90, 2124–2133.
8. Golovko, A.O., Koroleva, O.N., and Drutsa, V.L. (2017) Heterologous expression and isolation of Influenza A virus nuclear export protein NEP, Biochemistry (Moscow), 82, 1529–1537.
9. Gomez-Puertas, P., Albo, C., Perez-Pastrana, E., Vivo, A., and Portela, A. (2000) Influenza virus matrix protein is the major driving force in virus budding, J. Virol., 74, 11538–11547.
10. Rossman, J.S., and Lamb, R.A. (2011) Influenza virus assembly and budding, Virology, 411, 229–236.
11. Calder, L.J., Wasilewski, S., Berriman, J.A., and Rosenthal, P.B. (2010) Structural organization of a filamentous influenza A virus, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 10685–10690.
12. Vidic, J., Richard, C.A., Pechoux, C., Da Costa, B., Bertho, N., Mazerat, S., Delmas, B., and Chevalier, C. (2016) Amyloid assemblies of Influenza A virus PB1-F2 protein damage membrane and induce cytotoxicity, J. Biol. Chem., 291, 739–751.
13 Uversky, V.N. (2008) Amyloidogenesis of natively unfolded proteins, Curr. Alzheimer Res., 5, 260–287.
14. Laemmli, U. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680–685.
15. Jachimska, B., Wasilewska, M., and Adamczyk, Z. (2008) Characterization of globular protein solutions by dynamic light scattering, electrophoretic mobility, and viscosity measurements, Langmuir, 24, 6866–6872.
16. Muller, D.J., Janovjak, H., Lehto, T., Kuerschner, L., and Anderson, K. (2002) Observing structure, function and assembly of single proteins by AFM, Prog. Biophys. Mol. Biol., 79, 1–43.
17. Fernandez-Escamilla, A.M., Rousseau, F., Schymkowitz, J., and Serrano, L. (2004) Prediction of sequence-dependent and mutational effects on the aggregation of peptides and proteins, Nat. Biotechnol., 22, 1302–1306.
18. Conchillo-Sole, O., de Groot, N.S., Aviles, F.X., Vendrell, J., Daura, X., and Ventura, S. (2007) AGGRESCAN: a server for the prediction and evaluation of «hot spots» of aggregation in polypeptides, BMC Bioinformatics, 8, 65.
19. Garbuzynskiy, S.O., Lobanov, M.Y., and Galzitskaya, O.V. (2010) FoldAmyloid: a method of prediction of amyloidogenic regions from protein sequence, Bioinformatics, 26, 326–332.
20. Walsh, I., Seno, F., Tosatto, S.C.E., and Trovato, A. (2014) PASTA2: an improved server for protein aggregation prediction, Nucleic Acids Res., 42 (Web Server issue), W301–W307.
21. Maurer-Stroh, S., Debulpaep, M., Kuemmerer, N., Lopez de la Paz, M., Martins, I.C., Reumers, J., Morris, K.L., Copland, A., Serpell, L., Serrano, L., Schymkowitz, J.W., and Rousseau, F. (2010) Exploring the sequence determinants of amyloid structure using position-specific scoring matrices, Nat. Methods, 7, 237–242.
22. O’Donnell, C.W., Waldispuhl, J., Lis, M., Halfmann, R., Devadas, S., Lindquist, S., and Berger, B. (2011) A method for probing the mutational landscape of amyloid structure, Bioinformatics, 27, i34–i42.
23. Gasior, P., and Kotulska, M. (2014) FISH amyloid – a new method for finding amyloidogenic segments in proteins based on site specific co-occurence of aminoacids, BMC Bioinformatics, 15, 54.
24. Thangakani, A.M., Kumar, S., Nagarajan, R., Velmurugan, D., and Gromiha, M.M. (2014) GAP: towards almost hundred percent prediction of β-strand mediated aggregating peptides with distinct morphologies, Bioinformatics, 30, 1983–1990.
25. Emily, M., Talvas, A., and Delamarche, C. (2013) MetAmyl: a METa-predictor for AMYLoid proteins, PLoS One, 8, e79722.
26. Yang, J., Yan, R., Roy, A., Xu, D., Poisson, J., and Zhang, Y. (2015) The I-TASSER suite: protein structure and function prediction, Nat. Methods, 12, 7–8.
27. Abraham, M.J., Murtola, T., Schulz, R., Pall, S., Smith, J.C., Hess, B., and Lindahl, E. (2015) GROMACS: high performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers, SoftwareX, 1–2, 19–25.
28. Hornak, V., Abel, R., Okur, A., Strockbine, B., Roitberg, A., and Simmerling, C. (2006) Comparison of multiple Amber force fields and development of improved protein backbone parameters, Proteins, 65, 712–725.
29. Chaichian, M., and Demichev, A. (2001) Path integrals in physics. Volume 1: Stochastic process and quantum mechanics, Taylor & Francis, 174.
30. Zimmerman, K. (1991) All purpose molecular mechanics simulator and energy minimize, J. Comp. Chem., 12, 310–319.
31. Khan, M.V., Zakariya, S.M., and Khan, R.H. (2018) Protein folding, misfolding and aggregation: a tale of constructive to destructive assemblym, Int. J. Biol. Macromol., 112, 217–229.
32. Jeong, J.S., Ansaloni, A., Mezzenga, R., Lashuel, H.A., and Dietler, G. (2013) Novel mechanistic insight into the molecular basis of amyloid polymorphism and secondary nucleation during amyloid formation, J. Mol. Biol., 425, 1765–1781.
33. Nehete, J.Y., Bhambar, R.S., Narkhede, M.R., and Gawali, S.R. (2013) Natural proteins: sources, isolation, characterization and applications, Pharmacogn. Rev., 7, 107–116.
34. Lange, C., and Rudolph, R. (2009) Suppression of protein aggregation by L-arginine, Curr. Pharm. Biotechnol., 10, 408–414.
35. Shukla, D., and Trout, B.L. (2010) Interaction of arginine with proteins and the mechanism by which it inhibits aggregation, J. Phys. Chem. B, 114, 13426–13438.
36. Gao, S., Wang, S., Cao, S., Sun, L., Li, J., Bi, Y., Gao, G.F., and Liu, W. (2014) Characteristics of nucleocytoplasmic transport of H1N1 influenza A virus nuclear export protein, J. Virol., 88, 7455–7463.
37. Paterson, D., and Fodor, E. (2012) Emerging roles for the influenza A virus nuclear export protein (NEP), PLoS Pathog., 8, e1003019.
38. Robb, N.C., Smith, M., Vreede, F.T., and Fodor, E. (2009) NS2/NEP protein regulates transcription and replication of the influenza virus RNA genome, J. Gen. Virol., 90, 1398–1407.
39. Manz, B., Schwemmle, M., and Brunotte, L. (2013) Adaptation of avian influenza A virus polymerase in mammals to overcome the host species barrier, J. Virol., 87, 7200–7209.
40. Reuther, P., Giese, S., Gotz, V., Kilb, N., Manz, B., Brunotte, L., and Schwemmle, M. (2014) Adaptive mutations in the nuclear export protein of human-derived H5N1 strains facilitate a polymerase activity-enhancing conformation, J. Virol., 88, 263–271.
41. Смирнова Т.Д., Даниленко Д.М., Слита А.В. (2013) Участие цитоскелета клетки в инфекционном цикле вирусов гриппа А, Цитология, 55, 92–100.
42. Calder, L.J., Wasilewski, S., Berriman, J.A., and Rosenthal, P.B. (2010) Structural organization of a filamentous influenza A virus, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 10685–10690.
43. Martyna, A., and Rossman, J. (2014) Alterations of membrane curvature during influenza virus budding, J. Biochem. Soc. Trans., 42, 1425–1428.
44. Terakawa, M.S., Lin, Y., Kinoshita, M., Kanemura, S., Itoh, D., Sugiki, T., Okumura, M., Ramamoorthy, A., and Lee, Y.H. (2018) Impact of membrane curvature on amyloid aggregation, Biochim. Biophys. Acta, 1860, 1741–1764.
45. Milanesi, L., Sheynis, T., Xue, W.F., Orlova, E.V., Hellewell, A.L., Jelinek, R., Hewitt, E.W., Radford, S.E., and Saibil, H.R. (2012) Direct three-dimensional visualization of membrane disruption by amyloid fibrils, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, 20455–22460.