БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 3, с. 360–368

УДК 578.32; 578.865; 539.26

Характеристика вирионов и реполимеров белка оболочки вируса табачной мозаики в растворе методом малоуглового рентгеновского рассеяния*

© 2020 А.Л. Ксенофонтов 1**, М.В. Петухов 2,3, А.Н. Прусов 1, Н.В. Федорова 1, Э.В. Штыкова 2

НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия; электронная почта: ksenofon@belozersky.msu.ru

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, 119333 Москва, Россия; электронная почта: shtykova@ns.crys.ras.ru

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, 119071 Москва, Россия; электронная почта: maxim@embl-hamburg.de

Поступила в редакцию 07.11.2019
После доработки 20.12.2019
Принята к публикации 22.12.2019

DOI: 10.31857/S0320972520030069

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ВТМ, белок оболочки, реполимеры, вирионы, малоугловое рентгеновское рассеяние.

Аннотация

Структурный анализ вирионов и реполимеров белка оболочки вируса табачной мозаики (ВТМ) в водно-солевом растворе был проведен по данным синхротронного малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) и с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с негативным контрастом. Частицы реполимеров белка оболочки обладают уникальной стабильностью и не имеют спиральной симметрии. По данным ПЭМ, такие частицы содержат гетерогенные по длине поперечно исчерченные палочковидные «стопки дисков» длиной 300–800 Å. Структурное моделирование этих частиц было выполнено с использованием элемента кристаллографической модели четырехслойного агрегата (PDB: 1EI7). Получившиеся модели «стопок дисков» представляли собой полые цилиндры, и мы сравнили их расчетное рассеяние с экспериментальным на всем измеряемом диапазоне. Показана лучшая корреляция данных МУРР с моделью из повторяющейся центральной пары дисков. Кривые МУРР практически совпадали для образцов «стопок дисков» ВТМ независимо от метода выделения белка. Положения максимумов интенсивности на кривых рассеяния могут быть использованы в качестве специфической характеристики образцов, некоторые из них соотнесены с реальными элементами четвертичной структуры частиц (периодичность структуры реполимера, шаг спирали вириона). Впервые структурные данные низкого разрешения реполимеров ВТМ были получены в растворе в условиях, близких к естественным. Анализ подобных наноразмерных объектов важен для их возможного биомедицинского и биотехнологического применения.

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio. msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM19-321, 03.02.2020.

** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (18-04-00525а) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части проведения экспериментов МУРР.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Caspar, D.L., and Namba, K. (1990) Switching in the self-assembly of tobacco mosaic virus, Adv. Biophys., 26, 157–185, doi: 10.1016/0065-227x(90)90011-h.

2. Kendall, A., McDonald, M., and Stubbs, G. (2007) Precise determination of the helical repeat of tobacco mosaic virus, Virology, 369, 226–227, doi: 10.1016/j.virol.2007.08.013.

3. Butler, P.J. (1999) Self-assembly of tobacco mosaic virus: the role of an intermediate aggregate in generating both specificity and speed, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 354, 537–550, doi: 10.1098/rstb.1999.0405.

4. Bloomer, A.C., Champness, J.N., Bricogne, G., Staden, R., and Klug, A. (1978) Protein disk of tobacco mosaic virus at 2.8 Å resolution showing the interactions within and between subunits, Nature, 276, 362–368, doi: 10.1038/276362a0.

5. Klug, A. (1999) The tobacco mosaic virus particle: structure and assembly, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 354, 531–535, doi: 10.1098/rstb.1999.0404.

6. Butler, P.J. (1984) The current picture of the structure and assembly of tobacco mosaic virus, J. Gen. Virol., 65 (Pt 2), 253–279, doi: 10.1099/0022-1317-65-2-253.

7. Franklin, R.E., and Commoner, B. (1955) Abnormal protein associated with tobacco mosaic virus; X-ray diffraction by an abnormal protein (B8) associated with tobacco mosaic virus, Nature, 175, 1076–1077, doi: 10.1038/1751076a0.

8. Unwin, P.N., and Klug, A. (1974) Electron microscopy of the stacked disk aggregate of tobacco mosaic virus protein. I. Three-dimensional image reconstruction, J. Mol. Biol., 87, 641–656, doi: 10.1016/0022-2836(74)90075-8.

9. Dore, I., Ruhlmann, C., Oudet, P., Cahoon, M., Caspar, D.L., and Van Regenmortel, M.H. (1990) Polarity of binding of monoclonal antibodies to tobacco mosaic virus rods and stacked disks, Virology, 176, 25–29, doi: 10.1016/0042-6822(90)90226-h.

10. Diaz-Avalos, R., and Caspar, D.L. (1998) Structure of the stacked disk aggregate of tobacco mosaic virus protein, Biophys. J., 74, 595–603, doi: 10.1016/S0006-3495(98)77818-X.

11. Diaz-Avalos, R., and Caspar, D.L. (2000) Hyperstable stacked-disk structure of tobacco mosaic virus protein: electron cryomicroscopy image reconstruction related to atomic models, J. Mol. Biol., 297, 67–72, doi: 10.1006/jmbi.1999.3481.

12. Bhyravbhatla, B., Watowich, S.J., and Caspar, D.L. (1998) Refined atomic model of the four-layer aggregate of the tobacco mosaic virus coat protein at 2.4-A resolution, Biophys. J., 74, 604–615, doi: 10.1016/S0006-3495(98)77819-1.

13. Raghavendra, K., Adams, M.L., and Schuster, T.M. (1985) Tobacco mosaic virus protein aggregates in solution: structural comparison of 20S aggregates with those near conditions for disk crystallization, Biochemistry, 24, 3298–3304, doi: 10.1021/bi00334a034.

14. Raghavendra, K., Salunke, D.M., Caspar, D.L., and Schuster, T.M. (1986) Disk aggregates of tobacco mosaic virus protein in solution: electron microscopy observations, Biochemistry, 25, 6276–6279, doi: 10.1021/bi00368a066.

15. Ksenofontov, A.L., Dobrov, E.N., Fedorova, N.V., Arutyunyan, A.M., Golanikov, A.E., Jarvekulg, L., and Shtykova, E.V. (2018) Structure of potato virus A coat protein particles and their dissociation, Molecular Biology, 52, 913–921, doi: 10.1134/S0026893318060109.

16. Ksenofontov, A.L., Dobrov, E.N., Fedorova, N.V., Serebryakova, M.V., Prusov, A.N., Baratova, L.A., Paalme, V., Jarvekulg, L., and Shtykova, E V. (2018) Isolated potato virus A coat protein possesses unusual properties and forms different short virus-like particles, J. Biomol. Struct. Dyn., 36, 1728–1738, doi: 10.1080/07391102.2017.1333457.

17. Goodman, R.M. (1975) Reconstitution of potato virus X in vitro. I. Properties of the dissociated protein structural subunits, Virology, 68, 287–298, doi: 10.1016/0042-6822(75)90272-x.

18. Fraenkel-Conrat, H. (1957) Degradation of tobacco mosaic virus with acetic acid, Virology, 4, 1–4, doi: 10.1016/0042-6822(57)90038-7.

19. Ksenofontov, A.L., Kozlovskii, V.S., Kordiukova, L.V., Radiukhin, V.A., Timofeeva, A.V., and Dobrov, E.N. (2006) Determination of concentration and aggregate size in influenza virus preparations from true UV absorption spectra, Molecular Biology, 40, 152–158.

20. Laemmli, U.K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680–685, doi: 10.1038/227680a0.

21. Blanchet, C.E., Spilotros, A., Schwemmer, F., Graewert, M.A., Kikhney, A., Jeffries, C.M., Franke, D., Mark, D., Zengerle, R., Cipriani, F., Fiedler, S., Roessle, M., and Svergun, D.I. (2015) Versatile sample environments and automation for biological solution X-ray scattering experiments at the P12 beamline (PETRA III, DESY), J. Appl. Crystallogr., 48, 431–443, doi: 10.1107/S160057671500254X.

22. Konarev, P.V., Volkov, V.V., Sokolova, A.V., Koch, M.H.J., and Svergun, D.I. (2003) PRIMUS: a Windows PC-based system for small-angle scattering data analysis, J. Appl. Crystallogr., 36, 1277–1282, doi: 10.1107/S0021889803012779.

23. Konarev, P.V., Petoukhov, M.V., and Svergun, D.I. (2001) MASSHA – a graphics system for rigid-body modelling of macromolecular complexes against solution scattering data, J. Appl. Crystallogr., 34, 527–532, doi: 10.1107/S0021889801006100.

24. Svergun, D., Barberato, C., and Koch, M.H. (1995) CRYSOL – a program to evaluate X-ray solution scattering of biological macromolecules from atomic coordinates, J. Appl. Crystallogr., 28, 768–773, doi: 10.1107/S0021889895007047.

25. Durham, A.C., Finch, J.T., and Klug, A. (1971) States of aggregation of tobacco mosaic virus protein, Nat. New Biol., 229, 37–42, doi: 10.1038/newbio229037a0.

26. Sachse, C., Chen, J.Z., Coureux, P.D., Stroupe, M.E., Fandrich, M., and Grigorieff, N. (2007) High-resolution electron microscopy of helical specimens: a fresh look at tobacco mosaic virus, J. Mol. Biol., 371, 812–835, doi: 10.1016/j.jmb.2007.05.088.

27. Blanchet, C.E., and Svergun, D.I. (2013) Small-angle X-ray scattering on biological macromolecules and nanocomposites in solution, Annu. Rev. Phys. Chem., 64, 37–54, doi: 10.1146/annurev-physchem-040412-110132.

28. Shtykova, E.V., Baratova, L.A., Fedorova, N.V., Radyukhin, V.A., Ksenofontov, A.L., Volkov, V.V.,Shishkov, A.V., Dolgov, A.A., Shilova, L.A., Batishchev, O.V., Jeffries, C.M., and Svergun, D.I. (2013) Structural analysis of influenza A virus matrix protein M1 and its self-assemblies at low pH, PLoS One, 8, e82431, doi: 10.1371/journal.pone.0082431.

29. Costa, L., Andriatis, A., Brennich, M., Teulon, J.M.,Chen, S.W., Pellequer, J.L., and Round, A. (2016) Combined small angle X-ray solution scattering with atomic force microscopy for characterizing radiation damage on biological macromolecules, BMC Struct. Biol., 16, 18, doi: 10.1186/s12900-016-0068-2.

30. Spinozzi, F., Ferrero, C., Ortore, M.G., Antolinos, A.D., and Mariani, P. (2014) GENFIT: software for the analysis of small-angle X-ray and neutron scattering data of macromolecules in solution, J. Appl. Crystallogr., 47, 1132–1139, doi: 10.1107/S1600576714005147.

31. Hiragi, Y., Inoue, H., Sano, Y., Kajiwara, K., Ueki, T., Kataoka, M., Tagawa, H., Izumi, Y., Muroga, Y., and Amemiya, Y. (1988) Temperature dependence of the structure of aggregates of tobacco mosaic virus protein at pH 7.2. Static synchrotron small-angle X-ray scattering, J. Mol. Biol., 204, 129–140, doi: 10.1016/0022-2836(88)90604-3.

32. Sano, Y., Inoue, H., and Hiragi, Y. (1999) Differences of reconstitution process between tobacco mosaic virus and cucumber green mottle mosaic virus by synchrotron small angle X-ray scattering using low-temperature quenching, J. Protein Chem., 18, 801–805, doi: 10.1023/a:1020689720082.

33. Potschka, M., Koch, M.H., Adams, M.L., and Schuster, T.M. (1988) Time-resolved solution X-ray scattering of tobacco mosaic virus coat protein: kinetics and structure of intermediates, Biochemistry, 27, 8481–8491, doi: 10.1021/bi00422a028.