БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 2, с. 274–287
УДК 578.32;578.865;539.26
Структура вирионов A-вируса картофеля по данным малоуглового рентгеновского рассеяния и комплементарных методов*
1 Институт кристаллографии имени А.В. Шубникова Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук, 119333 Москва, Россия
2 НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Россия
Поступила в редакцию 26.08.2020
После доработки 27.09.2020
Принята к публикации 27.09.2020
DOI: 10.31857/S0320972521020111
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: потивирусы, белок оболочки, A-вирус картофеля, N-концевые неупорядоченные домены, малоугловое рентгеновское рассеяние, структурное моделирование.
Аннотация
Белки оболочки вирионов A-вируса картофеля содержат на своей поверхности частично неупорядоченные N-концевые домены, структурные и функциональные характеристики которых важны для понимания механизма инфицирования растений этим вирусом. В настоящей работе исследованы свойства и строение интактных A-вирусов картофеля и частично деградированных трипсином вирионов (AВКΔ32) с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния и комплементарных методов. Было показано, что при удалении 32 N-концевых аминокислот белка оболочки вирион не разрушается и остается компактным, но изменяется шаг спиральной упаковки его белковой оболочки. Для определения природы этих изменений по данным малоуглового рентгеновского рассеяния, было проведено ab initio, в том числе многофазное, моделирование геометрическими телами (спиралями) и восстановление структуры A-вируса картофеля в растворе с использованием доступных структур атомного разрешения, схожего с белками оболочки A-вируса картофеля – белка потивируса Y-вируса картофеля. В результате впервые была получена структура низкого разрешения нитевидного A-вируса картофеля, интактного и частично деградированного, в условиях, близких к естественным. Дополнительные исследования показали, что спектры кругового дихроизма в дальнем УФ образцов A-вируса картофеля и AВКΔ32 значительно различались по амплитуде и по положению основного отрицательного максимума. Степень термической денатурации данных образцов в диапазоне температур 20–55 °C также была различной. Данные просвечивающей электронной микроскопии показали, что вирионы AВКΔ32 представляли собой преимущественно палочковидные частицы, в отличие от гибких, характерных для интактного вируса, что хорошо коррелирует с результатами малоуглового рассеяния. В целом, проведенный структурный анализ свидетельствует о значении N-концевых доменов белка оболочки для выполнения жизненно важных функций A-вируса картофеля, что следует учитывать для выработки стратегии по борьбе с этими растительными патогенами.
Текст статьи
Сноски
* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM20-293, 11.01.2021.
** Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-04-00525а) и Министерства науки и высшего образования РФ: в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части проведения экспериментов МУРР; в рамках соглашения № 075-15-2019-1653 в части экспериментов ПЭМ.
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. Ksenofontov, A. L., Paalme, V., Arutyunyan, A. M., Semenyuk, P. I., Fedorova, N. V., et al. (2013) Partially disordered structure in intravirus coat protein of potyvirus potato virus A, PLoS One, 8, e67830, doi: 10.1371/journal.pone.0067830.
2. Zamora, M., Mendez-Lopez, E., Agirrezabala, X., Cuesta, R., Lavin, J. L., Sanchez-Pina, M. A., Aranda, M. A., and Valle, M. (2017) Potyvirus virion structure shows conserved protein fold and RNA binding site in ssRNA viruses, Sci. Adv., 3, eaao2182, doi: 10.1126/sciadv.aao2182.
3. Kezar, A., Kavcic, L., Polak, M., Novacek, J., Gutierrez-Aguirre, I., et al. (2019) Structural basis for the multitasking nature of the potato virus Y coat protein, Sci. Adv., 5, eaaw3808, doi: 10.1126/sciadv.aaw3808.
4. Cuesta, R., Yuste-Calvo, C., Gil-Carton, D., Sanchez, F., Ponz, F., and Valle, M. (2019) Structure of Turnip mosaic virus and its viral-like particles, Sci. Rep., 9, 15396, doi: 10.1038/s41598-019-51823-4.
5. Uversky, V. N. (2013) Unusual biophysics of intrinsically disordered proteins, Biochim. Biophys. Acta, 1834, 932-951, doi: 10.1016/j.bbapap.2012.12.008.
6. Ksenofontov, A. L., Parshina, E. Y., Fedorova, N. V., Arutyunyan, A. M., Rumvolt, R., Paalme, V., Baratova, L.A., Jarvekulg, L., and Dobrov, E. N. (2016) Heating-induced transition of Potyvirus Potato Virus A coat protein into beta-structure, J. Biomol. Struct. Dyn., 34, 250-258, doi: 10.1080/07391102.2015.1022604.
7. Ksenofontov, A. L., Dobrov, E. N., Fedorova, N. V., Arutyunyan, A. M., Golanikov, A. E., Järvekülg, L., and Shtykova, E. V. (2018) Structure of Potato Virus A coat protein particles and their dissociation, Mol. Biol. (Mosk.), 52, 1055-1065, doi: 10.1134/S0026898418060101.
8. 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, 1-11, doi: 10.1080/07391102.2017.1333457.
9. Anindya, R., and Savithri, H. S. (2003) Surface-exposed amino- and carboxy-terminal residues are crucial for the initiation of assembly in Pepper vein banding virus: a flexuous rod-shaped virus, Virology, 316, 325-336, doi: 10.1016/s0042-6822(03)00593-2.
10. Tatineni, S., McMechan, A. J., and Hein, G. L. (2018) Wheat streak mosaic virus coat protein is a determinant for vector transmission by the wheat curl mite, Virology, 514, 42-49, doi: 10.1016/j.virol.2017.10.018.
11. Voloudakis, A. E., Malpica, C. A., Aleman-Verdaguer, M. E., Stark, D. M., Fauquet, C. M., and Beachy, R. N. (2004) Structural characterization of Tobacco etch virus coat protein mutants, Arch. Virol., 149, 699-712, doi: 10.1007/s00705-003-0247-x.
12. Svergun, D. I., Koch, M. H. J., Timmins, P. A., and May, R. P. (2013) Small angle x-ray and neutron scattering from solutions of biological macromolecules, First Ed., Oxford University Press, Oxford, doi: 10.1093/acprof:oso/9780199639533.001.0001.
13. Franke, D., Petoukhov, M. V., Konarev, P. V., Panjkovich, A., Tuukkanen, A., et al. (2017) ATSAS 2.8: a comprehensive data analysis suite for small-angle scattering from macromolecular solutions, J. Appl. Crystallogr., 50, 1212-1225, doi: 10.1107/S1600576717007786.
14. Ksenofontov, A. L., Petoukhov, M. V., Prusov, A. N., Fedorova, N. V., and Shtykova, E. V. (2020) Characteriza-tion of tobacco mosaic virus virions and repolymerized coat protein aggregates in solution by small-angle x-ray scattering, Biochemistry (Mosc.), 85, 310-317, doi: 10.1134/s0006297920030062.
15. 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.
16. 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 using the true UV-absorption spectra, Mol. Biol., 40, 152-158, doi: 10.1134/S0026893306010201.
17. Blanchet, C. E., Spilotros, A., Schwemmer, F., Graewert, M. A., Kikhney, A., et al. (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.
18. 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.
19. Petoukhov, M. V., and Svergun, D. I. (2015) Ambiguity assessment of small-angle scattering curves from monodisperse systems, Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr., 71, 1051-1058, doi: 10.1107/s1399004715002576.
20. Svergun, D. I. (1992) Determination of the regularization parameter in indirect-transform methods using perceptual criteria, J. Appl. Crystallogr., 25, 495-503, doi: 10.1107/s0021889892001663.
21. Svergun, D. I. (1999) Restoring low resolution structure of biological macromolecules from solution scattering using simulated annealing, Biophys. J., 76, 2879-2886, doi: 10.1016/S0006-3495(99)77443-6.
22. 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.
23. Svergun, D., Barberato, C., and Koch, M. H. J. (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.
24. Artimo, P., Jonnalagedda, M., Arnold, K., Baratin, D., Csardi, G., et al. (2012) ExPASy: SIB bioinformatics resource portal, Nucleic Acids Res,, 40, W597-603, doi: 10.1093/nar/gks400.
25. Shtykova, E. V. (2015) Shape determination of polydisperse and polymorphic nanoobjects from small-angle X-ray scattering data (computer simulation). Nanotechnol. Russia, 10, 408-419, doi: 10.1134/S1995078015030155.
26. Tardieu, A. (1994) Neutron and synchrotron radiation for condensed matter studies. Applications to Soft Condensed Matter and Biology, vol III (Les editions de Physique (France)) (Berlin: Springer) pp 145-160.
27. Feigin, L. A., and Svergun, D. I. (1987) Structure analysis by small-angle x-ray and neutron scattering, Plenum Press, New York, p. 335.
28. Amari, K., Lerich, A., Schmitt-Keichinger, C., Dolja, V. V., and Ritzenthaler, C. (2011) Tubule-guided cell-to-cell movement of a plant virus requires class XI myosin motors, PloS Pathog., 7, e1002327, doi: 10.1371/journal.ppat.1002327.