Lắp Ráp và Xâm Nhập của Vi-rút Gây Hội Chứng Hô Hấp Cấp Tính Nặng Loại 2 (SARS-CoV2): Đánh Giá Bằng Các Tiểu Phần Giống Vi-rút
Tóm tắt
Nghiên cứu về vi-rút gây hội chứng hô hấp cấp tính nặng coronavirus 2 (SARS-CoV2) hiện đang bị hạn chế trong các phòng thí nghiệm BSL-3. Các tiểu phần giống vi-rút (VLPs) của SARS-CoV2 cung cấp một hệ thống BSL-1, không có khả năng sao chép, có thể được sử dụng để đánh giá quá trình lắp ráp và xâm nhập của vi-rút vào tế bào trong các điều kiện nuôi cấy tế bào dễ kiểm soát. Tại đây, chúng tôi mô tả một hệ thống VLP của SARS-CoV2 sử dụng sự bổ sung các mảnh nanoluciferase (Nluc) để theo dõi quá trình lắp ráp và xâm nhập. Chúng tôi đã sử dụng hệ thống này theo hai cách. Đầu tiên, chúng tôi đã điều tra các yêu cầu để lắp ráp VLP. VLPs được sản xuất thông qua việc tổng hợp đồng thời ba protein màng của vi-rút, spike (S), envelope (E), và matrix (M), cùng với nucleocapsid chứa trong tế bào chất (N). Chúng tôi phát hiện rằng việc sản xuất và tiết VLP phụ thuộc rất nhiều vào các protein N. Các protein N từ các betacoronavirus liên quan có thể thay thế biến thiên cho N homologous của SARS-CoV2, và các protein N betacoronavirus hỗn hợp có hiệu quả trong việc hỗ trợ sản xuất VLP nếu chúng chứa các miền carboxy-terminal của N coronavirus 2 (CTD). Điều này xác định các CTD là các yếu tố quan trọng trong việc lắp ráp các tiểu phần vi-rút. Thứ hai, chúng tôi đã sử dụng hệ thống này bằng cách điều tra sự xâm nhập của vi-rút vào tế bào. VLPs được sản xuất với các mảnh peptide Nluc được gắn vào các protein E, M, hoặc N và sau đó mỗi loại được cấy vào tế bào mục tiêu biểu hiện các mảnh Nluc bổ sung. Việc bổ sung tạo thành Nluc chức năng được sử dụng để đánh giá sự xâm nhập của vi-rút vào tế bào. Chúng tôi phát hiện rằng mỗi VLP đều hiệu quả trong việc theo dõi sự xâm nhập của vi-rút vào tế bào, với mức độ khác nhau, phụ thuộc vào các yếu tố cảm thụ của tế bào chủ. Tổng thể, chúng tôi đã phát triển và sử dụng một hệ thống VLP có tính ứng dụng cao trong việc xác định các đặc điểm lắp ráp và xâm nhập của SARS-CoV2.
Từ khóa
#SARS-CoV2 #virus-like particles #VLP #virus assembly #virus-cell entry #nanoluciferase #CTD #spike protein #envelope protein #matrix protein #nucleocapsidTài liệu tham khảo
Gerna, 2006, Genetic variability of human coronavirus OC43-, 229E-, and NL63-like strains and their association with lower respiratory tract infections of hospitalized infants and immunocompromised patients, J. Med. Virol., 78, 938, 10.1002/jmv.20645
Woo, 2009, Coronavirus diversity, phylogeny and interspecies jumping, Exp. Biol. Med. (Maywood), 234, 1117, 10.3181/0903-MR-94
Cui, 2019, Origin and evolution of pathogenic coronaviruses, Nat. Rev. Microbiol., 17, 181, 10.1038/s41579-018-0118-9
Ksiazek, 2003, A novel coronavirus associated with severe acute respiratory syndrome, N. Engl. J. Med., 348, 1953, 10.1056/NEJMoa030781
Zaki, 2012, Isolation of a novel coronavirus from a man with pneumonia in Saudi Arabia, N. Engl. J. Med., 367, 1814, 10.1056/NEJMoa1211721
Zhu, 2020, A Novel Coronavirus from Patients with Pneumonia in China, 2019, N. Engl. J. Med., 382, 727, 10.1056/NEJMoa2001017
Woo, 2006, Molecular diversity of coronaviruses in bats, Virology, 351, 180, 10.1016/j.virol.2006.02.041
World Health Organization (2021, January 28). WHO Coronavirus Disease (COVID-19) Dashboard. Available online: https://covid19.who.int/.
Vennema, 2000, Assembly of the Coronavirus Envelope: Homotypic Interactions between the M Proteins, J. Virol., 74, 4967, 10.1128/JVI.74.11.4967-4978.2000
Ericsson, 1994, Characterization of the budding compartment of mouse hepatitis virus: Evidence that transport from the RER to the Golgi complex requires only one vesicular transport step, J. Cell Biol., 124, 55, 10.1083/jcb.124.1.55
Fischer, 1998, Analysis of Constructed E Gene Mutants of Mouse Hepatitis Virus Confirms a Pivotal Role for E Protein in Coronavirus Assembly, J. Virol., 72, 7885, 10.1128/JVI.72.10.7885-7894.1998
DeDiego, 2007, A severe acute respiratory syndrome coronavirus that lacks the E gene is attenuated in vitro and in vivo, J. Virol., 81, 1701, 10.1128/JVI.01467-06
Ortego, 2002, Generation of a replication-competent, propagation-deficient virus vector based on the transmissible gastroenteritis coronavirus genome, J. Virol., 76, 11518, 10.1128/JVI.76.22.11518-11529.2002
Madan, 2005, Viroporin activity of murine hepatitis virus E protein, FEBS Lett., 579, 3607, 10.1016/j.febslet.2005.05.046
Wilson, 2004, SARS coronavirus E protein forms cation-selective ion channels, Virology, 330, 322, 10.1016/j.virol.2004.09.033
Boscarino, 2008, Envelope protein palmitoylations are crucial for murine coronavirus assembly, J. Virol., 82, 2989, 10.1128/JVI.01906-07
Westerbeck, 2019, The Infectious Bronchitis Coronavirus Envelope Protein Alters Golgi pH To Protect the Spike Protein and Promote the Release of Infectious Virus, J. Virol., 93, e00015, 10.1128/JVI.00015-19
Venkatagopalan, 2015, Coronavirus envelope (E) protein remains at the site of assembly, Virology, 478, 75, 10.1016/j.virol.2015.02.005
Bos, 1996, The production of recombinant infectious DI-particles of a murine coronavirus in the absence of helper virus, Virology, 218, 52, 10.1006/viro.1996.0165
Corse, 2003, The cytoplasmic tails of infectious bronchitis virus E and M proteins mediate their interaction, Virology, 312, 25, 10.1016/S0042-6822(03)00175-2
Corse, 2000, Infectious Bronchitis Virus E Protein Is Targeted to the Golgi Complex and Directs Release of Virus-Like Particles, J. Virol., 74, 4319, 10.1128/JVI.74.9.4319-4326.2000
Baudoux, 1998, Coronavirus Pseudoparticles Formed with Recombinant M and E Proteins Induce Alpha Interferon Synthesis by Leukocytes, J. Virol., 72, 8636, 10.1128/JVI.72.11.8636-8643.1998
Kuo, 2002, Genetic evidence for a structural interaction between the carboxy termini of the membrane and nucleocapsid proteins of mouse hepatitis virus, J. Virol., 76, 4987, 10.1128/JVI.76.10.4987-4999.2002
Chang, 2014, The SARS coronavirus nucleocapsid protein--forms and functions, Antivir. Res., 103, 39, 10.1016/j.antiviral.2013.12.009
Chang, 2006, Modular organization of SARS coronavirus nucleocapsid protein, J. Biomed. Sci., 13, 59, 10.1007/s11373-005-9035-9
Jayaram, 2006, X-ray structures of the N- and C-terminal domains of a coronavirus nucleocapsid protein: Implications for nucleocapsid formation, J. Virol., 80, 6612, 10.1128/JVI.00157-06
Kuo, 2014, Recognition of the murine coronavirus genomic RNA packaging signal depends on the second RNA-binding domain of the nucleocapsid protein, J. Virol., 88, 4451, 10.1128/JVI.03866-13
Schwinn, 2018, CRISPR-Mediated Tagging of Endogenous Proteins with a Luminescent Peptide, ACS Chem. Biol., 13, 467, 10.1021/acschembio.7b00549
Qing, 2020, Evaluating MERS-CoV Entry Pathways, Methods Mol. Biol., 2099, 9, 10.1007/978-1-0716-0211-9_2
Siu, 2008, The M, E, and N Structural Proteins of the Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus Are Required for Efficient Assembly, Trafficking, and Release of Virus-Like Particles, J. Virol., 82, 11318, 10.1128/JVI.01052-08
Xu, 2020, Construction of SARS-CoV-2 Virus-Like Particles by Mammalian Expression System, Front. Bioeng. Biotechnol., 8, 862, 10.3389/fbioe.2020.00862
Plescia, 2021, SARS-CoV-2 viral budding and entry can be modeled using BSL-2 level virus-like particles, J. Biol. Chem., 296, 100103, 10.1074/jbc.RA120.016148
Mortola, 2004, Efficient assembly and release of SARS coronavirus-like particles by a heterologous expression system, FEBS Lett., 576, 174, 10.1016/j.febslet.2004.09.009
Qing, 2020, Distinct Roles for Sialoside and Protein Receptors in Coronavirus Infection, mBio, 11, e02764-19, 10.1128/mBio.02764-19
Luo, 2006, Carboxyl terminus of severe acute respiratory syndrome coronavirus nucleocapsid protein: Self-association analysis and nucleic acid binding characterization, Biochemistry, 45, 11827, 10.1021/bi0609319
Chen, 2007, Structure of the SARS coronavirus nucleocapsid protein RNA-binding dimerization domain suggests a mechanism for helical packaging of viral RNA, J. Mol. Biol., 368, 1075, 10.1016/j.jmb.2007.02.069
Sasaki, 2018, Development of a rapid and quantitative method for the analysis of viral entry and release using a NanoLuc luciferase complementation assay, Virus Res., 243, 69, 10.1016/j.virusres.2017.10.015
Hoffmann, 2020, SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor, Cell, 181, 271, 10.1016/j.cell.2020.02.052
McBride, 2014, The coronavirus nucleocapsid is a multifunctional protein, Viruses, 6, 2991, 10.3390/v6082991
Lu, 2011, SARS-CoV nucleocapsid protein antagonizes IFN-β response by targeting initial step of IFN-β induction pathway, and its C-terminal region is critical for the antagonism, Virus Genes, 42, 37, 10.1007/s11262-010-0544-x
Ye, 2007, Mouse hepatitis coronavirus A59 nucleocapsid protein is a type I interferon antagonist, J. Virol., 81, 2554, 10.1128/JVI.01634-06
Surjit, 2006, The nucleocapsid protein of severe acute respiratory syndrome-coronavirus inhibits the activity of cyclin-cyclin-dependent kinase complex and blocks S phase progression in mammalian cells, J. Biol. Chem., 281, 10669, 10.1074/jbc.M509233200
Xu, 2013, Porcine epidemic diarrhea virus N protein prolongs S-phase cell cycle, induces endoplasmic reticulum stress, and up-regulates interleukin-8 expression, Vet. Microbiol., 164, 212, 10.1016/j.vetmic.2013.01.034
Rottier, 2005, Molecular interactions in the assembly of coronaviruses, Adv. Virus Res., 64, 165, 10.1016/S0065-3527(05)64006-7
Vennema, 1996, Nucleocapsid-independent assembly of coronavirus-like particles by co-expression of viral envelope protein genes, EMBO J., 15, 2020, 10.1002/j.1460-2075.1996.tb00553.x
Takeda, 2008, Solution Structure of the C-terminal Dimerization Domain of SARS Coronavirus Nucleocapsid Protein Solved by the SAIL-NMR Method, J. Mol. Biol., 380, 608, 10.1016/j.jmb.2007.11.093
Peng, 2008, Phosphorylation of the arginine/serine dipeptide-rich motif of the severe acute respiratory syndrome coronavirus nucleocapsid protein modulates its multimerization, translation inhibitory activity and cellular localization, FEBS J., 275, 4152, 10.1111/j.1742-4658.2008.06564.x
Hurst, 2005, A major determinant for membrane protein interaction localizes to the carboxy-terminal domain of the mouse coronavirus nucleocapsid protein, J. Virol., 79, 13285, 10.1128/JVI.79.21.13285-13297.2005
Luo, 2006, Severe acute respiratory syndrome coronavirus membrane protein interacts with nucleocapsid protein mostly through their carboxyl termini by electrostatic attraction, Int. J. Biochem. Cell Biol., 38, 589, 10.1016/j.biocel.2005.10.022
Zhou, 2020, Structural characterization of the C-terminal domain of SARS-CoV-2 nucleocapsid protein, Mol. Biomed., 1, 2, 10.1186/s43556-020-00001-4
Kuo, 2016, Analyses of Coronavirus Assembly Interactions with Interspecies Membrane and Nucleocapsid Protein Chimeras, J. Virol., 90, 4357, 10.1128/JVI.03212-15
Huang, 2004, Structure of the N-terminal RNA-binding domain of the SARS CoV nucleocapsid protein, Biochemistry, 43, 6059, 10.1021/bi036155b
Rolta, R., Yadav, R., Salaria, D., Trivedi, S., Imran, M., Sourirajan, A., Baumler, D.J., and Dev, K. (2020). In silico screening of hundred phytocompounds of ten medicinal plants as potential inhibitors of nucleocapsid phosphoprotein of COVID-19: An approach to prevent virus assembly. J. Biomol. Struct. Dyn., 1–18.
Gupta, M.K., Vemula, S., Donde, R., Gouda, G., Behera, L., and Vadde, R. (2020). In-silico approaches to detect inhibitors of the human severe acute respiratory syndrome coronavirus envelope protein ion channel. J. Biomol. Struct. Dyn., 1–11.
Debica, M., and Upasana, R. (2020). SARS-CoV-2 Nucleocapsid Assembly Inhibitors: Repurposing Antiviral and Antimicrobial Drugs Targeting Nucleocapsid-RNA Interaction. ChemRxiv, Available online: https://europepmc.org/article/ppr/ppr186727.
Bhowmik, 2020, Identification of potential inhibitors against SARS-CoV-2 by targeting proteins responsible for envelope formation and virion assembly using docking based virtual screening, and pharmacokinetics approaches. Infection, genetics and evolution, J. Mol. Epidemiol. Evol. Genet. Infect. Dis., 84, 104451, 10.1016/j.meegid.2020.104451