БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 9, с. 1352–1365

УДК 577.21

VPg вируса PVY и кэп-связывающие факторы семейства eIF4E картофеля: избирательность взаимодействия и его предполагаемый механизм

© 2021 М.В. Лебедева 1*marilistik@mail.ru, Е.Ю. Никонова 2, А.А. Терентьев 3,4,5, В.В. Таранов 1, А.В. Бабаков 1, О.С. Никонов 2

1 Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии Российской академии наук, 127550 Москва, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт белка Российской академии наук, 142290 Пущино, Московская область, Россия

3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Московская область, Россия

4 Научно-образовательный центр «Медицинская химия» Московского государственного областного университета, 141014 Мытищи, Московская область, Россия

5 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, факультет фундаментальной физико-химической инженерии, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 18.05.2021
После доработки 30.05.2021
Принята к публикации 31.05.2021

DOI: 10.31857/S0320972521090086

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: eIF4E, вирус Y картофеля, VPg, инициация трансляции.

Аннотация

Вирус картофеля Y (PVY) является одним из наиболее распространенных и вредоносных растительных вирусов. Трансляция вирусной РНК начинается с взаимодействия белка VPg, ковалентно связанного с вирусной РНК и растительными кэп-связывающими факторами инициации трансляции семейства eIF4E. С нарушением этого взаимодействия связан один из основных механизмов устойчивости растений к вирусу картофеля Y. В геноме картофеля (Solanum tuberosum L.) мультисемейство факторов eIF4E представлено тремя генами – eIF4E1, eIF4E2 и eIF(iso)4E. До настоящего времени было неизвестно, с какими именно факторами мультисемейства и каким образом связывается вирусный белок. В представленной работе показано, что наиболее распространённый вариант VPg штамма NTN взаимодействует с изоформами картофеля eIF4E1 и eIF4E2, но не взаимодействует с eIF(iso)4E. Были сконструированы модели белков картофеля eIF4E1 и eIF4E2 и VPg вируса Y, на основании которых с использованием данных о природном полиморфизме аминокислотных последовательностей белка VPg было выдвинуто предположение о ключевой роли остатка R104 в узнавании кэп-связывающих факторов картофеля. Получены мутантные формы белка VPg c заменами в этом положении и проверена их способность связываться с eIF4E картофеля. С использованием полученных экспериментальных и известных структурных данных построена теоретическая модель комплекса VPg c eIF4E2. Предложенная модель существенно отличается от известных ранее моделей комплексов VPg вируса Y c eIF4E и хорошо соответствует имеющимся биохимическим данным.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Дополнительные материалы

Приложение к статье на английском языке опубликовано на сайте журнала «Biochemistry» (Moscow) (http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya/) и на сайте издательства Springer (www.springer.com/journal/10541), том 86, вып. 9, 2021.

Финансирование

Исследование было выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 17-29-08024 офи_м). Вестерн-анализ был выполнен в рамках госзадания (№ госрегистрации АААА-А19-119092390041-5).

Благодарности

Авторы благодарят Козлова Д.Г., зав. лаб. НИЦ «Курчатовский институт», и Губайдуллина И.И., сотрудника НИЦ «Курчатовский институт» – ГосНИИгенетика, Курчатовский геномный центр, за ценные консультации по культивированию дрожжей. Авторы благодарят Dr. J.-L. Gallois (INRA) за предоставление дрожжей штамма Jo55 для эксперимента по комплементации. Работа выполнялась с использованием оборудования ЦКП «Биотехнология» ВНИИСБ (Москва, Россия; договор RFMEFI62114×0003).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

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

Список литературы

1. Scholthof, K.-B. G., Adkins, S., Czosnek, H., Palukaitis, P., Jacquot, E., et al. (2011) Top 10 plant viruses in molecular plant pathology, Mol. Plant Pathol., 12, 938-954, doi: 10.1111/J.1364-3703.2011.00752.X.

2. Quenouille J., Vassilakos, N., and Moury, B. (2013) Potato virus Y: a major crop pathogen that has provided majorinsights into the evolution of viral pathogenicity, Mol. Plant Pathol., 14, 439-452, doi: 10.1111/mpp.12024.

3. Robaglia, C., and Caranta, C. (2006) Translation initiation factors: a weak link in plant RNA virus infection, Trends Plant Sci., 11, 40-45, doi: 10.1016/j.tplants.2005.11.004.

4. Ruffel, S., Dussault, M. H., Palloix, A., Moury, B., Bendahmane, A., et al. (2002) A natural recessive resistance gene against potato virus Y in pepper corresponds to the eukaryotic initiation factor 4E (eIF4E), Plant J., 32, 1067-1075, doi: 10.1046/j.1365-313x.2002.01499.x.

5. Charron, C., Nicolaï, M., Gallois, J. L., Robaglia, C., Moury, B., et al. (2008) Natural variation and functional analyses provide evidence for co-evolution between plant eIF4E and potyviral VPg, Plant J., 54, 56-68, doi: 10.1111/j.1365-313X.2008.03407.x.

6. Lebaron, C., Rosado, A., Sauvage, C., Gauffier, C., German-Retana, S., et al. (2016) A new eIF4E1 allele characterized by RNAseq data mining is associated with resistance to PVY in tomato albeit with a low durability, J. Gen. Virol., 97, 3063-3072.

7. Rubio, M., Nicolaï, M., Caranta, C., and Palloix, A. (2009) Allele mining in the pepper gene pool provided new complementation effects between pvr2-eIF4E alleles and pvr6-eIF (iso) 4E for resistance to the Pepper veinal mottle virus, J. Gen. Virol., 90, 2808-2814, doi: 10.1099/vir.0.013151-0.

8. Julio, E., Cotucheau, J., Decorps, C., Volpatti, R., Sentenac, C., et al. (2015) A eukaryotic translation initiation factor 4E (eIF4E) is responsible for the “va” tobacco recessive resistance to potyviruses, Plant Mol. Biol. Report., 33, 609-623, doi: 10.1007/s11105-014-0775-4.

9. Cavatorta, J., Perez, K. W., Gray, S. M., Van Eck, J., Yeam, I., and Jahn, M. (2011) Engineering virus resistance using a modified potato gene, Plant Biotechnol. J., 9, 1014-1021.

10. Gutierrez Sanchez, P., Babujee, L., Mesa, H. J., Arcibal, E., Gannon, M., et al. (2020) Overexpression of a modified eIF4E regulates potato virus Y resistance at the transcriptional level in potato, BMC Genomics, 21, doi: 10.1186/s12864-019-6423-5.

11. Poulicard, N., Pacios, L. F., Gallois, J. L., Piñero, D., and García-Arenal, F. (2016) Human management of a wild plant modulates the evolutionary dynamics of a gene determining recessive resistance to virus infection, PLoS Genet., 12, doi: 10.1371/journal.pgen.1006214.

12. Mazier, M., Flamain, F., Nicolaï, M., Sarnette, V., and Caranta, C. (2011) Knock-down of both eIF4E1 and eIF4E2 genes confers broad-spectrum resistance against potyviruses in tomato, PLoS One, 6, doi: 10.1371/journal.pone.0029595.

13. Gauffier, C., Lebaron, C., Moretti, A., Constant, C., Moquet, F., et al. (2016) A TILLING approach to generate broad-spectrum resistance to potyviruses in tomato is hampered by eIF4E gene redundancy, Plant J., 85, 717-729, doi: 10.1111/tpj.13136.

14. Michel, V., Julio, E., Candresse, T., Cotucheau, J., Decorps, C., et al. (2019) A complex eIF4E locus impacts the durability of va resistance to Potato virus Y in tobacco, Mol. Plant Pathol., 20, 1051-1066, doi: 10.1111/mpp.12810.

15. Masuta, C., Nishimura, M., Morishita, H., and Hataya, T. (1999) A single amino acid change in viral genome-associated protein of potato virus Y Correlates with resistance breaking in ‘virgin a mutant’ tobacco, Phytopathology, 89, 118-123, doi: 10.1094/PHYTO.1999.89.2.118.

16. Ayme, V., Petit-Pierre, J., Souche, S., Palloix, A., and Moury, B. (2007) Molecular dissection of the potato virus Y VPg virulence factor reveals complex adaptations to the pvr2 resistance allelic series in pepper, J. Gen. Virol., 88, 1594-1601, doi: 10.1099/vir.0.82702-0.

17. Takakura, Y., Udagawa, H., Shinjo, A., and Koga, K. (2018) Mutation of a Nicotiana tabacum L. eukaryotic translation-initiation factor gene reduces susceptibility to a resistance-breaking strain of Potato virus Y, Mol. Plant Pathol., 19, 2124-2133, doi: 10.1111/mpp.12686.

18. Baebler, S., Coll, A., and Gruden, K. (2020) Plant molecular responses to potato virus Y: a continuum of outcomes from sensitivity and tolerance to resistance, Viruses, 12, 217, doi: 10.3390/v12020217.

19. Duan, H., Richael, C., and Rommens, C. (2012) Overexpression of the wild potato eIF4E-1 variant Eva1 elicits Potato virus Y resistance in plants silenced for native eIF4E-1, Transgenic Res., 21, 929-938, doi: 10.1007/s11248-011-9576-9.

20. Zhang, C., Zarka, K., Zarka, D., Whitworth, J., and Douches, D. (2021) Expression of the tomato pot-1 gene confers potato virus Y (PVY) resistance in susceptible potato varieties, Am. J. Potato Res., 98, 42-50, doi: 10.1007/s12230-020-09815-y.

21. Cavatorta, J. R., Savage, A. E., Yeam, I., Gray, S. M., and Jahn, M. (2008) Positive Darwinian selection at single amino acid sites conferring plant virus resistance, J. Mol. Evol., 67, 551-559, doi: 10.1007/s00239-008-9172-7.

22. Wang, A., and Krishnaswamy, S. (2012) Eukaryotic translation initiation factor 4E-mediated recessive resistance to plant viruses and its utility in crop improvement, Mol. Plant Pathol., 13, 795-803, doi: 10.1111/j.1364-3703.2012.00791.x.

23. Grzela, R., Szolajska, E., Ebel, C., Madern, D., Favier, A., et al. (2008) Virulence Factor of potato virus Y, genome-attached terminal protein VPg, is a highly disordered protein, J. Biol. Chem., 283, 213-221, doi: 10.1074/jbc.M705666200.

24. Moury, B., Charron, C., Janzac, B., Simon, V., Gallois, J. L., et al. (2014) Evolution of plant eukaryotic initiation factor 4E (eIF4E) and potyvirusgenome-linked protein (VPg): a game of mirrors impactingresistance spectrum and durability, Infect. Genet. Evol., 27, 472-480, doi: 10.1016/j.meegid.2013.11.024.

25. De Oliveira, L., Volpon, L., Rahardjo, A. K., Osborne, M. J., Culjkovic-Kraljacic, B., et al. (2019) Structural studies of the eIF4E–VPg complex reveal a direct competition for capped RNA: implications for translation, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 116, 24056-24065, doi: 10.1073/pnas.1904752116.

26. Walter, J., Barra, A., Charon, J., Tavert-Roudet, G., and Michon, T. (2020) Spectroscopic Investigation of the kinetic mechanism involved in the association of potyviral VPg with the host plant translation initiation factor eIF4E, Int. J. Mol. Sci., 21, 5618-5633, doi: 10.3390/ijms21165618.

27. Leonard, S. P., D., Wittmann, S., Daigneault, N., Fortin, M. G., and Laliberte, J. F. (2000) Complex formation between potyvirus VPg and translation eukaryotic initiation factor 4E correlates with virus infectivity, J. Virol., 74, 7730-7737, doi: 10.1128/jvi.74.17.7730-7737.2000.

28. Ayme, V., Souche, S., Caranta, C., Jacquemond, M., Chadoeuf, J., et al. (2007) Different mutations in the genome-linked protein VPg of potato virus Y confer virulence on the pvr2-3 resistance in pepper, Mol. Plant Microbe Interact., 19, 557-563, doi: 10.1094/MPMI-19-0557.

29. Roudet-Tavert, G., Michon, T., Walter, J., Delaunay, T., Redondo, E., and Le Gall, O. (2007) Central domain of a potyvirus VPg is involved in the interaction with the host translation initiation factor eIF4E and the viral protein HcPro, J. Gen. Virol., 88, 1029-1033, doi: 10.1099/vir.0.82501-0.

30. Okonechnikov, K., Golosova, O., and Fursov, M. (2012) Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit, Bioinformatics, 28, 1166-1167, doi: 10.1093/bioinformatics/bts091.

31. Hughes, J. M., Ptushkina, M., Karim, M. M., Koloteva, N., von der Haar, T., and McCarthy, J. E. (1999) Translational repression by human 4E-BP1 in yeast specifically requires human eIF4E as target, J. Biol. Chem., 274, 3261-3264, doi: 10.1074/jbc.274.6.3261.

32. Gietz, R., Schiestl, R. (2007) High-efficiency yeast transformation using the LiAc/SS carrier DNA/PEG method, Nat. Protoc., 2, 31-34, doi: 10.1038/nprot.2007.13.

33. Aho, S., Arffman, A., Pummi, T., and Uitto, J. (1997) A novel reporter gene MEL1 for the yeast two-hybrid system, Anal. Biochem., 253, 270-272, doi: 10.1006/abio.1997.2394.

34. Laemmli, U. K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680-685.

35. Waterhouse, A., Bertoni, M., Bienert, S., Studer, G., Tauriello, G., et al. (2018) SWISS-MODEL: homology modelling of protein structures and complexes, Nucleic Acids Res., 46, 296-303, doi: 10.1093/nar/gky427.

36. Emsley, P., Lohkamp, B., Scott, W., and Cowtan, K. (2010) Features and development of coot, Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr., 66, 486-501, doi: 10.1107/S0907444910007493.

37. Krissinel, E., and Henrick, K. (2004) Secondary-structure matching (SSM), a new tool for fast protein structure alignment in three dimensions, Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr., 60, 2256-2268, doi: 10.1107/S0907444904026460.

38. Miras, M., Truniger, V., Silva, C., Verdaguer, N., Aranda, M. A., and Querol-Audí, J. (2017) Structure of eIF4E in complex with an eIF4G peptide supports a Universal bipartite binding mode for protein translation, Plant Physiol., 174, 1476-1491, doi: 10.1104/pp.17.00193.

39. Monzingo, A. F., Dhaliwal, S., Dutt-Chaudhuri, A., Lyon, A., Sadow, J. H., et al. (2007) The structure of eukaryotic translation initiation factor-4E from wheat reveals a novel disulfide bond, Plant Physiol., 143, 1504-1518, doi: 10.1104/pp.106.093146.

40. Hess, B., Kutzner, C., van der Spoel, D., and Lindahl, E. (2008) GROMACS 4: algorithms for highly efficient, load-balanced, and scalable molecular simulation, J. Chem. Theory Comput., 4, 435-447, doi: 10.1021/ct700301q.

41. MacKerell, A. D. Jr., Feig, M., and Brooks, C. L. (2004) Extending the treatment of backbone energetics in protein force fields: limitations of gas-phase quantum mechanics in reproducing protein conformational distributions in molecular dynamics simulations, J. Comput. Chem., 25, 1400-1415, doi: 10.1002/jcc.20065.

42. Essmann, U., Perera, L., Berkowitz, M., Darden, T., Lee, H., and Pedersen, L. (1995) A smooth particle mesh Ewald method, J. Chem. Physics, 103, 8577, doi: 10.1063/1.470117.

43. Altmann, M., Sonenberg, N., and Trachsel, H. (1989) Translation in Saccharomyces cerevisiae: initiation factor 4E-dependent cell-free system, Mol. Cell. Biol., 10, 4467-4472, doi: 10.1128/mcb.9.10.4467.

44. Piron, F., Nicolaï, M., Minoïa, S., Piednoir, E., Moretti, A., et al. (2010) An induced mutation in tomato eIF4E leads to immunity to two potyviruses, PLoS One, doi: 10.1371/journal.pone.0011313.

45. Moury, B., Lebaron, C., Szadkowski, M., Khalifa, M. B., Girardot, G., et al. (2020) Knock-out mutation of eukaryotic initiation factor 4E2 (eIF4E2) confers resistance to pepper veinal mottle virus in tomato, Virology, 539, 11-17, doi: 10.1016/j.virol.2019.09.015.