Влияние мутаций в N‑концевом пептиде белка оболочки на структуру Х‑вируса картофеля согласно данным малоуглового рентгеновского рассеяния и молекулярной динамики

© 2026 А.Л. Ксенофонтов 1*ksenofon@belozersky.msu.ru, М.В. Петухов 2, А.М. Арутюнян 1, И.П. Олейников 1, Г.С. Петерс 3, Л.А. Баратова 1, М.В. Архипенко 4, Н.А. Никитин 4, О.В. Карпова 4, Э.В. Штыкова 2

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, 119991 Москва, Россия

2 Институт физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН, 119071 Москва, Россия

3 НИЦ «Курчатовский институт», 123182 Москва, Россия

4 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 24.12.2025
После доработки 09.02.2026
Принята к публикации 10.02.2026

DOI: 10.7868/S3034529426030088

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Х‑вирус картофеля, белок оболочки, N‑концевой пептид, трансляционная активация РНК в составе вириона, малоугловое рентгеновское рассеяние, круговой дихроизм, молекулярное моделирование, тритиевая планиграфия.

Аннотация

Мутации N‑концевого пептида (замена Ser‑Thr на Ala‑Gly) в белке оболочки (БО) Х‑вируса картофеля (ХВК‑ST) делают его геномную РНК трансляционно-компетентной в отличие от вирионов ХВК дикого типа. В результате РНК в составе вириона ХВК‑ST способна транслироваться без дополнительного воздействия (фосфорилирование, взаимодействие с транспортным белком ХВК) в отличие от инкапсидированной РНК дикого типа вируса. Комплексный структурный анализ методами молекулярной динамики, малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) и тритиевой планиграфии выявил различия в организации вирионов. Показано, что мутации приводят к повышению гидрофобности и частичному сворачиванию N‑концевых пептидов. Это вызывает перестройку вириона ХВК‑ST: изменяется плотность укладки белков оболочки в вирион со спиральной структурой, что подтверждается данными МУРР, повышенной доступностью для мечения тритием ключевых доменов БО, включая РНК-связывающий участок, и сниженной устойчивости к детергенту, додецилсульфату натрия. Полученные результаты предлагают объяснение механизма, благодаря которому инкапсидированная РНК мутанта ХВК‑ST становится доступной для рибосом. Этот механизм связан со структурной перестройкой N‑концевого пептида БО и изменением плотности укладки спирального капсида.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

А.Л. Ксенофонтов, Э.В. Штыкова – написание текста; А.Л. Ксенофонтов, М.В. Петухов, А.М. Арутюнян, И.П. Олейников, М.В. Архипенко, Н.А. Никитин, Г.С. Петерс – проведение экспериментов; Э.В. Штыкова, О.В. Карпова, Л.А. Баратова – обсуждение результатов исследования; Н.А. Никитин, О.В. Карпова – редактирование текста статьи.

Финансирование

Исследование выполнено в рамках государственного задания МГУ имени М.В. Ломоносова: размножение, выделение и очистка вирусов ХВК (дикий тип) и генетически модифицированного мутанта ХВК‑ST, проведение КД‑спектроскопии, измерение собственной флуоресценции и тритиевой планиграфии; в рамках государственного задания Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН: проведение экспериментов МУРР и структурного моделирования. Эксперименты по круговому дихроизму были выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования МГУ «Субдифракционная микроскопия и спектроскопия», приобретенного МГУ в рамках Программы обновления приборной базы (Национальный проект «Наука»).

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. Atabekov, J. G., Rodionova, N. P., Karpova, O. V., Kozlovsky, S. V., and Poljakov, V. Y. (2000) The movement protein-triggered in situ conversion of potato virus X virion RNA from a nontranslatable into a translatable form, Virology, 271, 259-263, https://doi.org/10.1006/viro.2000.0319.

2. Atabekov, J. G., Rodionova, N. P., Karpova, O. V., Kozlovsky, S. V., Novikov, V. K., and Arkhipenko, M. V. (2001) Translational activation of encapsidated potato virus X RNA by coat protein phosphorylation, Virology, 286, 466-474, https://doi.org/10.1006/viro.2001.1013.

3. Козловский С. В., Карпова О. В., Архипенко М. В., Заякина О. В., Родионова Н. П., Атабеков И. Г. (2003) Влияние N-концевой области белка оболочки Х вируса картофеля на структуру вирусных частиц, ДАН, 391, 1-3.

4. Petoukhov, M. V., Rakitina, T. V., Agapova, Yu. K., Petrenko, D. E., Podshivalov, D. D., Timofeev, V. I., Peters, G. S., Gaponov, Yu. A., Bocharov, E. V., and Shtykova, E. V. (2024) Molecular dynamics and small-angle X-ray scattering: comparison of computational and experimental approaches to studying structures of biological complexes, Crystallogr. Rep., 69, 674-681, https://doi.org/10.1134/s1063774524601540.

5. Grinzato, A., Kandiah, E., Lico, C., Betti, C., Baschieri, S., and Zanotti, G. (2020) Atomic structure of potato virus X, the prototype of the Alphaflexiviridae family, Nat. Chem. Biol., 16, 564-569, https://doi.org/10.1038/s41589-020-0502-4.

6. Lukashina, E., Ksenofontov, A., Fedorova, N., Badun, G., Mukhamedzhanova, A., Karpova, O., Rodionova, N., Baratova, L., and Dobrov, E. (2012) Analysis of the role of the coat protein N-terminal segment in Potato virus X virion stability and functional activity, Mol. Plant Pathol., 13, 38-45, https://doi.org/10.1111/j.1364-3703.2011.00725.x.

7. Ksenofontov, A. L., Petoukhov, M. V., Peters, G. S., Arutyunyan, A. M., Baratova, L. A., Arkhipenko, M. V., Nikitin, N. A., Karpova, O. V., and Shtykova, E. V. (2025) Influence of in situ limited proteolysis of potato virus X on change in the structure of virions according to the small-angle X-ray scattering data and tritium labeling, Biochemistry (Moscow), 90, 413-423, https://doi.org/10.1134/S0006297925600279.

8. Nikitin, N., Ksenofontov, A., Trifonova, E., Arkhipenko, M., Petrova, E., Kondakova, O., Kirpichnikov, M., Atabekov, J., Dobrov, E., and Karpova, O. (2016) Thermal conversion of filamentous potato virus X into spherical particles with different properties from virions, FEBS Lett., 590, 1543-1551, https://doi.org/10.1002/1873-3468.12184.

9. Peters, G. S., Zakharchenko, O. A., Konarev, P. V., Karmazikov, Y. V., Smirnov, M. A., Zabelin, A. V., Mukhamedzhanov, E. H., Veligzhanin, A. A., Blagov, A. E., and Kovalchuk, M. V. (2019) The small-angle X-ray scattering beamline BioMUR at the Kurchatov synchrotron radiation source, Nuclear Instrum. Methods Phys. Res. Sec. A, 945, 162616, https://doi.org/10.1016/j.nima.2019.162616.

10. Peters, G. S., Gaponov, Y. A., Konarev, P. V., Marchenkova, M. A., Ilina, K. B., Volkov, V. V., Pisarevskiy, Y. V., and Kovalchuk, M. V. (2022) Upgrade of the BioMUR beamline at the Kurchatov synchrotron radiation source for serial small-angle X-ray scattering experiments in solutions, Nuclear Instrum. Methods Phys. Res. Sec. A, 1025, 166170, https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.166170.

11. Hammersley, A. P. (2016) FIT2D: a multi-purpose data reduction, analysis and visualization program, J. Appl. Cryst., 49, 646-652, https://doi.org/10.1107/S1600576716000455.

12. 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, https://doi.org/10.1107/S0021889803012779.

13. Manalastas-Cantos, K., Konarev, P. V., Hajizadeh, N. R., Kikhney, A. G., Petoukhov, M. V., Molodenskiy, D. S., Panjkovich, A., Mertens, H. D. T., Gruzinov, A., Borges, C., Jeffries, C. M., Svergun, D. I., and Franke, D. (2021) ATSAS 3.0: expanded functionality and new tools for small-angle scattering data analysis, J. Appl. Crystallogr., 54, 343-355, https://doi.org/10.1107/S1600576720013412.

14. Svergun, D. I. (1992) Determination of the regularization parameter in indirect-transform methods using perceptual criteria, J. Appl. Crystallogr., 25, 495-503, https://doi.org/10.1107/S0021889892001663.

15. Вайнштейн Б. (1963) Дифракция рентгеновских лучей на цепных молекулах, АН СССР, Москва.

16. 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, https://doi.org/10.1107/S0021889895007047.

17. Abraham, M. J., Murtola, T., Schulz, R., Páll, 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, https://doi.org/10.1016/j.softx.2015.06.001.

18. Brooks, B. R., Brooks, C. L., 3rd, Mackerell, A. D., Jr., Nilsson, L., Petrella, R. J., Roux, B., Won, Y., Archontis, G., Bartels, C., Boresch, S., Caflisch, A., Caves, L., Cui, Q., Dinner, A. R., Feig, M., Fischer, S., Gao, J., Hodoscek, M., Im, W., Kuczera, K., et al. (2009) CHARMM: the biomolecular simulation program, J. Computat. Chem., 30, 1545-1614, https://doi.org/10.1002/jcc.21287.

19. Jorgensen, W. L., Chandrasekhar, J., Madura, J. D., Impey, R. W., and Klein, M. L. (1983) Comparison of simple potential functions for simulating liquid water, J. Chem. Phys., 79, 926-935, https://doi.org/10.1063/1.445869.

20. Abramson, J., Adler, J., Dunger, J., Evans, R., Green, T., Pritzel, A., Ronneberger, O., Willmore, L., Ballard, A. J., Bambrick, J., Bodenstein, S. W., Evans, D. A., Hung, C. C., O’Neill, M., Reiman, D., Tunyasuvunakool, K., Wu, Z., Zemgulyte, A., Arvaniti, E., Beattie, C., et al. (2024) Addendum: accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3, Nature, 636, E4, https://doi.org/10.1038/s41586-024-08416-7.

21. Ксенофонтов А. Л., Петухов М. В., Матвеев В. В., Федорова Н. В., Семенюк П. И., Арутюнян А. М., Манухова Т. И., Евтушенко Е. А., Никитин Н. А., Карпова О. В., Штыкова Э. В. (2023) Влияние структуры N-концевого домена белка оболочки X-вируса картофеля и вируса мозаики альтернантеры на структуру и физико-химические свойства вирионов, Биохимия, 88, 68-82, https://doi.org/10.31857/s0320972523010050.

22. Feigin, L. A., and Svergun, D. I. (1987) Structure Analysis by Small-Angle X-ray and Neutron Scattering, Plenum Press, New York, p. 335.

23. Ксенофонтов А. Л., Петухов М. В., Прусов А. Н., Федорова Н. В., Штыкова Э. В. (2020) Характеристика вирионов и реполимеров белка оболочки вируса табачной мозаики в растворе методом малоуглового рентгеновского рассеяния, Биохимия, 85, 360-368, https://doi.org/10.31857/s0320972520030069.

24. Shtykova, E. V., Petoukhov, M. V., Fedorova, N. V., Arutyunyan, A. M., Skurat, E. V., Kordyukova, L. V., Moiseenko, A. V., and Ksenofontov, A. L. (2021) The structure of the potato virus A particles elucidated by small angle X-ray scattering and complementary techniques, Biochemistry (Moscow), 86, 230-240, https://doi.org/10.1134/S0006297921020115.

25. Баратова Л. А., Богачева Е. Н., Гольданский В. И., Колб В. А., Спирин А. С., Шишков А. В. (1999) Тритиевая планиграфия биологических макромолекул, Наука, Москва.

26. Badun, G.A., B., and Chernysheva, M.G. (2023) Tritium thermal activation method. Features 26. Badun, G. A., and Chernysheva, M. G. (2023) Tritium thermal activation method. Features of application, modern achievements, and further development prospects, Radiochemistry, 65, 185-197, https://doi.org/10.1134/S1066362223020054.

27. Dobrov, E. N., Badun, G. A., Lukashina, E. V., Fedorova, N. V., Ksenofontov, A. L., Fedoseev, V. M., and Baratova, L. A. (2003) Tritium planigraphy comparative structural study of tobacco mosaic virus and its mutant with altered host specificity, Eur. J. Biochem., 270, 3300-3308, https://doi.org/10.1046/j.1432-1033.2003.03680.x.

28. Baratova, L. A., Grebenshchikov, N. I., Dobrov, E. N., Gedrovich, A. V., Kashirin, I. A., Shishkov, A. V., Efimov, A. V., Jarvekulg, L., Radavsky, Y. L., and Saarma, M. (1992) The organization of potato virus X coat proteins in virus particles studied by tritium planigraphy and model building, Virology, 188, 175-180, https://doi.org/10.1016/0042-6822(92)90747-d.

29. Ptitsyn, O. B. (1995) Molten globule and protein folding, Adv. Protein Chem., 47, 83-229, https://doi.org/10.1016/s0065-3233(08)60546-x.

30. Uversky, V. N. (2002) Natively unfolded proteins: a point where biology waits for physics, Protein Sci., 11, 739-756, https://doi.org/10.1110/ps.4210102.

31. Uversky, V. N., Gillespie, J. R., and Fink, A. L. (2000) Why are “natively unfolded” proteins unstructured under physiologic conditions? Proteins, 41, 415-427, https://doi.org/10.1002/1097-0134(20001115)41:3<415::aid-prot130>3.0.co;2-7.

32. Kyte, J., and Doolittle, R. F. (1982) A simple method for displaying the hydropathic character of a protein, J. Mol. Biol., 157, 105-132, https://doi.org/10.1016/0022-2836(82)90515-0.

33. Baratova, L. A., Fedorova, N. V., Dobrov, E. N., Lukashina, E. V., Kharlanov, A. N., Nasonov, V. V., Serebryakova, M. V., Kozlovsky, S. V., Zayakina, O. V., and Rodionova, N. P. (2004) N-Terminal segment of potato virus X coat protein subunits is glycosylated and mediates formation of a bound water shell on the virion surface, Eur. J. Biochem., 271, 3136-3145, https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.2004.04243.x.