Hierarhično sestavljanje asimetričnih ikozaedričnih virusnih kapsid

Povzeto po članku: Zhao, Z., Wang, J.CY., Zhang, M. et al. Asymmetrizing an icosahedral virus capsid by hierarchical assembly of subunits with designed asymmetry. Nat Commun 12, 589 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-020-20862-1

Uvod

Simetrični proteinski kompleksi so zelo pogosti v bioloških sistemih. Omogočajo kompartmentizacijo in izvajajo kompleksne naloge. Takšni naravni sistemi služijo kot osnova za razvoj nanotehnologij na področju dostavnih sistemov zdravil, transporta energije in shranjevanja informacij. Uporabna platforma za raziskovanje na tem področju so simetrične virusne kapside in način njihovega (samo)sestavljanja. Številne virusne kapside imajo ikozaedrično simetrično obliko, osnovna gradbena komponenta pa je le ena (kapsida je torej sestavljena iz samih enakih proteinov). Prednost virusnih kapsid je preprosta zgradba, vendar pa simetrične podenote precej omejujejo nadzor nad samim sestavljanjem, s tem pa je omejen tudi razvoj aplikacij, pri katerih bi želeli v kapsido vstaviti določeno informacijo ali 'tovor' (uporabno molekulo/učinkovino). Rešitev tega problema je zasnova nadzorovane poti sestavljanja kapside, ki bi potekala po korakih z vmesnimi 'stop točkami', od katerih bi reakcija potekala dalje le, če bi vsakič zagotovili ustrezne kemijske pogoje. [1]

Sestavljanje kapside poteka v dveh fazah (faza nukleacije in faza elongacije), ne vsebuje pa nobenih vmesnih stopenj, kjer bi se reakcija ustavila in bi lahko poljubno modificirali intermediate sestavljanja. Zhao, Wang in sod. so se problema lotili tako, da so kot modelni sistem uporabili virus hepatitisa B (HBV) in proces spontanega sestavljanja virusne kapside ločili na več nadzorovanih korakov. Kapsido HBV sestavljajo homodimerne podenote. Glede na število dimernih podenot pa ločimo dve različni kapsidi HBV, ena ima 90 dimernih podenot, druga pa 120. Slednja v naravi prevladuje, saj je tudi sestavni del infektivnega viriona. Dimeri interagirajo, ko se konec kontaktnega heliksa enega dimera prilega v utor, ki ga tvori kontaktni heliks sosednjega dimera. Vsak dimer ima torej na vsaki strani en kontaktni heliks. Osnovna ideja je, da vsakega od monomerov (ki skupaj tvorita dimer) zasnujemo različno. Dobimo heterodimer, v katerem različna monomera za povezovanje z drugimi dimeri potrebujeta različne specifične pogoje. Posledično lahko s spreminjanjem pogojev reakcije nadzorujemo sestavljanje kapside. Avtorji članka so dizajnirali heterodimer in ga uporabili za tvorbo manjšega kompleksa, ki služi kot nukleacijski kompleks (jedro), okoli katerega se sestavi virusna kapsida. Tako sestavljena kapsida ima dva ločena dela – heterodimerni in homodimerni – in je analogna Janusovemu delcu. [1] Za Janusov delec je namreč značilno, da ga sestavljata vsaj dva dela, ki se razlikujeta v fizikalnih in kemijskih lastnostih. [2] Različne kemijske lastnosti dveh različnih delov omogočajo nadaljnje modifikacije, razstavljanje in ponovno sestavljanje kapside. [1]

Načrtovanje poti sestavljanja asimetrične kapside

Za nadzorovano pot sestavljanja potrebujemo način za iniciacijo sestavljanja oz. povezovanja določenih komponent in način za ustavitev (in morebitni ponovni zagon) sestavljanja na določeni stopnji reakcije. Avtorji so zasnovali asimetrično pot sestavljanja, ki vodi od posameznih asimetričnih podenot (heterodimerov) do asimetrične luknjaste kapside in na koncu do asimetrične celotne kapside (z zapolnjeno luknjo). Kot že omenjeno, so uporabili model kapside virusa hepatitisa B. [1] Osnovna gradbena komponenta njegove kapside je protein kapside, ki vsebuje 183 aminokislinskih ostankov. 149 aminokislinskih ostankov na N-koncu predstavlja domeno Cp149, ki je odgovorna za sestavljanje (t.i. assembly domain). Aminokislinski ostanki na C-koncu (od 150 do 183) pa so bogati z argininom in imajo sposobnost vezave na nukleinsko kislino. [3] Uporabili so samo domeno Cp149, ki so jo modificirali tako, da so iz homodimerne podenote dobili heterodimerno podenoto Cp149_HisCp149_Y132A. Prvi monomer ima vezano oznako His-Tag. Tako kot dimer divjega tipa ima sposobnost sestavljanja v odvisnosti od ionske moči, poleg tega je zaradi histidinske oznake občutljiv na Ni²⁺ ione. Drugi monomer ima mutacijo tirozina v alanin na mestu 132. Mutacija inhibira sposobnost sestavljanja, saj povzroči izgubo hidrofobne površine, ki je potrebna za ustrezno interakcijo z drugimi podenotami. Kljub temu, pa se lahko vseeno povezuje z dimeri divjega tipa v manj stabilne kapside.

Nukleacija
Pot je zasnovana tako, da se asimetrični dimeri začnejo sestavljati ob dodatku Ni²⁺ ionov. Nastanejo heksameri, ki pa se ne sestavljajo več naprej, zaradi vpliva mutacije Y132A.

Elongacija
Heksameri nato služijo kot nukleacijska jedra za nadaljnje sestavljanje z dimeri druge vrste (Cp150) pri visoki ionski moči (po dodatku NaCl). Nastane hibridna kapsida, ki ima heksamerno komponento in homodimerno komponento.

Kapsidno telo s prečnimi povezavami
Homodimerna komponenta je ločeno stabilizirana, saj so uporabili homodimere (Cp150), ki spontano tvorijo prečne povezave. Protein Cp150 je različica Cp149, ki na C-koncu vsebuje dodatni cisteinski ostanek in omogoča disulfidne prečne povezave med homodimeri Cp150. Tak homodimerni del hibridne kapside je stabilen ob nizki ionski jakosti in tretiranju s sečnino.

Odstranitev nukleacijskega jedra
Heterodimerni del kapside ne vsebuje dodatnega cisteinskega ostanka in ne more tvoriti prečnih povezav, zato ga lahko nadzorovano odstranimo, ostane pa luknjasta kapsida.

Modificiranje, ponovna zapolnitev površine
Takšno kapsido lahko dodatno modificiramo in/ali ponovno zapolnimo odprtino z drugačnimi podenotami, ki imajo za nas uporabne lastnosti. [1]

Izvedba eksperimenta

Čiščenje in karakterizacija heterodimera Cp149_HisCp149_Y132A
Za sintezo željenega heterodimera so zasnovali bicistronski ekspresijski plazmid, ki je vseboval en promotor, ki sta mu sledila gena za vsak monomer posebej (Cp149_His in Cp149_Y132A). Vsak gen je imel tudi svojo ribosom vezavno domeno. Po ekspresiji v celicah E. coli so izvedli velikostno izključitveno kromatografijo, da so odstranili Cp149_His homodimere in nikljevo afinitetno kromatografijo, da so odstranili Cp149_Y132A homodimere. Izvedli so tudi poliakrilamidno gelsko elektroforezo in masno spektrometrijo, da so preverili dobljen produkt.

Sestavljanje heterodimerov Cp149_HisCp149_Y132A v heksamer
Da bi ugotovili karakteristike sestavljanja modificiranih heterodimerov, so najprej primerjali sestavljanje modificiranih heterodimerov in homodimerov divjega tipa pri visoki ionski moči. Kot je pričakovano, so ugotovili, da heterodimer v takšnih pogojih ne tvori kapside in drugih stabilnih intermedatov, medtem ko se nativni homodimeri uspešno sestavijo v kapsido. Nato so preizkusili še sestavljanje modificiranih heterodimerov v odvisnosti od Ni²⁺ ionov pri nizki ionski moči. Z velikostno izključitveno kromatografijo so ugotovili, da se heterodimeri združujejo v komplekse, večje od dimerov. Najbolj zastopani kompleksi so bili prosti dimeri, dimeri dimerov, heksameri in samo nekaj domnevnih dvojnih heksamerov. Večje komplekse so izolirali in ustreznost potrdili z elektronsko mikroskopijo z negativnim kontrastiranjem.

Sestavljanje Cp149_HisCp149_Y132A heksamerov s homodimeri Cp150
Čeprav mutacija kontaktnega heliksa Y132A onemogoča samostojno sestavljanje, je možno sestavljanje s homodimeri Cp150. Vsak homodimer naj bi z nukleacijskim heksamernim kompleksov tvoril dva kontakta, od katerih je le eden onemogočen zaradi mutacije Y132A. Mutacija torej oslabi začetne korake nadaljnjega sestavljanja, vendar ga ne prepreči.

Pretvorba hibridne kapside v luknjasto kapsido
Avtorji so postavili hipotezo, da bo homodimerni del kapside ostal nespremenjen tudi po odstranitvi heterodimernega heksamera. To so preverili tako, da so heterodimerne heksamere odstranili z mešanico 100 µM EDTA in 3M sečnine. EDTA prekine z Ni²⁺ ioni posredovane interakcije med histidinskimi oznakami, sečnina pa oslabi interakcije med posameznimi heterodimeri, zato Cp149_HisCp149_Y132A dimeri disociirajo od hibridne kapside.

Krio-EM rekonstrukcija luknjastih kapsid
Nastanek luknjastih kapsid so potrdili s krio-elektronsko mikroskopijo. Prve mikrografije so pokazale mešanico celotnih kapsid in luknjastih kapsid. Nato so izbrali 41.057 delcev in izvedli 3D rekonstrukcijo. Rezultati so pokazali, da so prisotne kapside z dvema različnima velikostma odprtine. Pri nekaterih kapsidah je bila odprtina velika za 9 dimerov (heksamer + 3 dimeri), pri drugih pa za 18 dimerov (dvojni heksamer + pentamer). Za taka opažanja so navedli dve možni razlagi: poleg nuklecijskega heksamera so asociirali še dodatni heterodimeri ali pa so homodimeri na robu odprtine tvorili manj močne prečne povezave in so se zato odcepili skupaj s heksamerom.

Zapolnitev odprtine in tvorba nove hibridne kapside
Odprtino v luknjasti kapsidi lahko zapolnimo z željenim homodimerom. To zmožnost so testirali tako, da so luknjastim kapsidam dodali homodimer Cp150Bo, ki ima na cisteinski ostanek na mestu 150 vezan fluorofor BODIPY. Vzorce so vzbujali pri valovni dolžini 504 nm in nato merili emitirano svetlobo pri 512 nm ter potrdili, da so homodimeri Cp150Bo zapolnili odprtino v kapsidi. [1]

Zaključek

Simetrične podenote se pogosto spontano sestavijo v simetrične kapside, brez vmesnih stopenj. Avtorji članka so predstavili pot sestavljanja, ki so jo razdelili na ločene reakcije, ki jih lahko nadzorujemo. Tak proces bi lahko uporabili v mnogih uporabnih aplikacijah, npr. pakiranje učinkovin v luknjaste kapside, ki bi jih uporabili kot dostavni sistem za zdravila, ali pa bi odprtine v kapsidi zapolnili z dimeri z uporabnimi površinskimi/kemijskimi lastnostmi. Asimetrične kapside tako lahko odprejo vrata sintezi organiziranih, multi-funkcionalnih delcev.

Viri

[1] Zhao, Z., Wang, J.CY., Zhang, M. et al. Asymmetrizing an icosahedral virus capsid by hierarchical assembly of subunits with designed asymmetry. Nat Commun 12, 589 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-020-20862-1

[2] H. Su, C. A. Hurd Price, L. Jing, Q. Tian, J. Liu, and K. Qian, “Janus particles: design, preparation, and biomedical applications,” Mater. Today Bio, vol. 4, no. July, 2019, doi: 10.1016/j.mtbio.2019.100033.

[3] Z. Tan, K. Pionek, N. Unchwaniwala, M. L. Maguire, D. D. Loeb, and A. Zlotnick, “The Interface between Hepatitis B Virus Capsid Proteins Affects Self-Assembly, Pregenomic RNA Packaging, and Reverse Transcription,” J. Virol., vol. 89, no. 6, pp. 3275–3284, 2015, doi: 10.1128/jvi.03545-14.