In Vitro El desmontaje de virus de influenza A cápsides por centrifugación en gradiente

Summary

Disassembly of influenza A virus cores during virus entry into host cells is a multistep process. We describe an in vitro method to analyze the early stages of viral uncoating. In this approach, velocity gradient centrifugation is used to biochemically dissect the steps that initiate uncoating under defined conditions.

Abstract

Acid-triggered molecular processes closely control cell entry of many viruses that enter through the endocytic system. In the case of influenza A virus (IAV), virus fusion with the endosomal membrane as well as the subsequent disassembly of the viral capsid, called uncoating, is governed by the ionic conditions inside endocytic vesicles. The early steps in the virus life cycle are hard to study because endosomes cannot be directly accessed experimentally, creating the need for an in vitro approach. Here, we describe a method based on velocity gradient centrifugation of purified virions through a two-layer glycerol gradient, which enables analysis of the IAV core and its stability. The gradient contains a non-ionic detergent (NP-40) in its lower layer to remove the viral membrane by solubilization as the virus sediments toward the bottom. At neutral pH, viral cores are pelleted as stable structures. The major core components, matrix protein (M1) and the viral ribonucleoproteins (vRNPs), can be clearly identified in the pellet fraction by SDS-PAGE. Decreasing the pH to 6.0 or lower in the bottom layer selectively removes M1 from the pellet followed by release of vRNPs at more acidic conditions. Viral protein bands on Coomassie-stained gels can be subjected to densitometric quantification to monitor intermediate states of IAV disassembly. Besides pH, other factors that influence viral core stability can be assessed, such as salt concentration and putative viral uncoating factors, simply by modifying the detergent-containing glycerol layer accordingly. Taken together, the presented technique allows highly reproducible and quantitative analysis of viral uncoating in vitro. It can be applied to other enveloped viruses that undergo complex uncoating processes.

Introduction

Influenza A virus (IAV) es un virus con envoltura y pertenece a la familia de Orthomyxoviridae. Sus genes están codificados en un sentido negativo segmentado y genoma de ARN de cadena simple. En los seres humanos, IAV causa infecciones respiratorias, que se producen en brotes epidémicos estacionales y tiene el potencial de pandemias globales ^1. Tras la unión a los residuos de ácido siálico en la superficie de la célula huésped ^2, IAV es internalizado por endocitosis dependiente de clatrina y las vías de clathrin independiente ^3-8. El medio ácido (pH <5,5) en las vacuolas endocíticas desencadena un cambio conformacional importante en la IAV espiga glicoproteína hemaglutinina (HA), lo que resulta en la fusión de la viral y el fallecido membrana ⁹ endosomal. Una vez que la cápside IAV (aquí también se hace referencia como "núcleo" viral) ha escapado de los endosomas finales (LES), que no está recubierto en el citosol seguido por el transporte de las ribonucleoproteínas virales (vRNPs) en el núcleo – el sitio ola replicación del virus y la transcripción f ^10-13. Antes de la activación ácida de HA del virus experimenta una disminución gradual en el pH en el sistema endocítica, que ceba el núcleo para su posterior desmontaje ^14-16. En este "cebado" intensificar los canales iónicos M2 en la membrana viral mediar en la afluencia de protones y K ^+10,14,16. El cambio en la concentración iónica en el interior virus perturba las interacciones se acumulan por la proteína de la matriz M1 viral y el haz vRNP ocho, y facilita IAV uncoating en el citoplasma después de la fusión de membranas ^10,14-17.

El análisis directo y cuantitativa de la etapa de cebado se ha visto obstaculizada por el hecho de que los endosomas son difíciles de acceder experimentalmente. El proceso de entrada es, por lo demás, altamente no sincrónico. Además, los ensayos de punto final, como QRT-PCR mediciones de ARN o la infectividad viral liberados, no proporcionan una imagen detallada sobre el estado bioquímico de la capsi virald en cualquier etapa dada de entrada. Mientras que la perturbación de los endosomas de siRNA o tratamiento de drogas ha contribuido significativamente a la comprensión de la entrada IAV ^18-20, puesta a punto es difícil y propensos a los efectos secundarios inespecíficos en el programa endosoma maduración estrechamente controlada.

Para evitar estos problemas, hemos adaptado un protocolo previamente desarrollado in vitro basado en el uso de la velocidad de centrifugación en gradiente de ^17. A diferencia de otros intentos ^{21,22, 23,24,} que se basan principalmente en combinaciones de escisión proteolítica y tratamiento con detergente seguido por análisis de EM, este enfoque permitió un resultado fácilmente cuantificable. La centrifugación a través de diferentes capas de gradiente permite que las partículas que sedimentan a estar expuestos a y reaccionan con las condiciones cambiantes de una manera controlada. En el protocolo presentado, IAV derivado de fluido alantoideo aclarado o partículas virales purificadas se sedimentan en un glicerol de dos capasgradiente en el que la capa inferior contiene el detergente no iónico NP-40 (Figura 1). A medida que el virus entra en la segunda capa, que contiene detergente, la envoltura de lípidos y glicoproteínas de la envoltura viral se solubilizan con suavidad y dejaron atrás. El núcleo, formado por el haz de ocho vRNP y rodeado por una capa de matriz, los sedimentos como una estructura estable en la fracción de sedimento. proteínas del núcleo viral, tales como M1 y nucleoproteína asociado-vRNP (NP), se pueden identificar en el sedimento por SDS-PAGE y tinción Coomassie. En particular, tomando ventaja de geles de gradiente disponibles en el mercado y la tinción con el coloidal Coomassie altamente sensible ^25, permite una alta precisión y la detección de incluso pequeñas cantidades de proteínas del núcleo asociada virales.

Esto establece la base para probar si las diferentes condiciones tales como el pH, la concentración de sal, y los factores putativos Uncoating tener efectos sobre el comportamiento de sedimentación de los componentes del núcleo y de núcleo Stabil dad. Para este objetivo, solamente la capa que contiene detergente menor en el gradiente de glicerol se modifica mediante la introducción del factor o condición de interés. La técnica ha sido particularmente valiosa en la investigación del efecto de diferentes valores de pH y concentraciones de sal en la integridad del núcleo ¹⁶ IAV. Pasos intermedios de IAV uncoating podrían ser monitorizados incluyendo la disociación de la capa de la matriz a pH ligeramente ácido (<6,5), seguido de vRNP disociación a pH 5,5 e inferior ^16,17 (Figura 1). Este último paso se ha mejorado aún más por la presencia de una alta concentración de K ⁺ en la capa de glicerol, lo que refleja un entorno endocítica finales ^16. Por lo tanto, como el virus y el núcleo sedimentan a través del gradiente que experimentaron un medio de cambio que imita las condiciones en los endosomas. El resultado fue un desmontaje por etapas del núcleo viral in vitro, como complemento de los resultados derivados de los ensayos de biología celular.

t "> El método que aquí se presenta ha permitido el análisis rápido y altamente reproducible de IAV (X31 y A / WSN / 33) e IBV (B / Lee / 40) Uncoating desencadenada por pH ácido y el aumento de K ^+16,17, así como el desmontaje de núcleos de paramixovirus tras la exposición pH alcalino ^17. es concebible que el enfoque se puede adaptar a otros virus con envoltura para obtener información sobre las propiedades bioquímicas de la estructura de la cápside viral y desmontaje de la cápside durante la entrada en la célula.

Protocol

1. Preparación de tampones y soluciones de archivo Preparar tampón SM (MES 20 mM, Tris 30 mM y NaCl 100 mM) disolviendo 470 mg de clorhidrato de Tris, 390 mg de hidrato de MES y 580 mg de NaCl en 80 ml ​​ddH2O Ajustar el tampón a pH 7,4 y llevarlo a un volumen final de 100 ml con ddH 2 O. Preparar tres soluciones idénticas de tampón MES 500 mM disolviendo 9,76 g de hidratos de MES en 80 ml ​​de H2O destilada cada uno. Ajuste los tampones a pH 5,8, 5,4, y…

Representative Results

Como ya se ha comentado, el cebado en los endosomas que se requiere para hacer que el núcleo IAV uncoating competente. La protonación del núcleo debilita la interacción de M1 y vRNPs (compuesto del ARN viral, NP, y la polimerasa PB1 complejo / PB2 / PA). Este proceso se inicia cuando el virus entrante se expone a un pH de 6,5 (o inferior) en los endosomas tempranos (EEE) y continúa hasta que los fusibles de virus en torno a pH 5,0 en LES. <p class="jove_content" fo:keep-together…

Discussion

cápsides virales son complejos macromoleculares metaestables. Durante el montaje de los viriones requiere la encapsidación y la condensación del genoma del virus, el inicio de la siguiente ronda de infección depende de desmontaje de esta estructura de la cápside compacto. Los virus han evolucionado para explotar varios mecanismos celulares para controlar el ciclo de recubrimiento-uncoating, incluyendo receptores celulares, chaperones, enzimas proteolíticas, fuerzas físicas proporcionadas por proteínas motoras o …

Materials

cOmplete™, EDTA-free protease inhibitor tablets	Sigma-Aldrich	11873580001	The stock solution can be stored at 2 to 8 °C for 1 to 2 weeks
Glacial acetic acid	Merck Millipore	100063
Glycerol anhydrous BioChemica	AppliChem	A1123
Hydrochloric acid	Merck Millipore	100317
Long injection needle (21 GA, 9 cm, bevel or blunt-end)
MES hydrate	Sigma-Aldrich	M8250
Methanol	Merck Millipore	106009
NP-40	Sigma-Aldrich	I8896	Now commercially available as IGEPAL® CA-630
NuPAGE® 4-12% Bis-Tris mini gels, 10 wells, 1.0 mm	Life Technologies	NP0321
NuPAGE® LDS sample buffer (4X)	Life Technologies	NP0008
NuPAGE® MOPS SDS running buffer (20X)	Life Technologies	NP0001
pH indicator strips, pH 4.0 – 7.0	Merck Millipore	109542
QC Colloidal Coomassie Stain	BIO RAD	1610803
Sodium chloride	Merck Millipore	106406
Sodiumhydroxide	Merck Millipore	106498
Steritop™ filter unit	Merck Millipore	SCGPT05RE
SW41 Ti, ultracentrifuge rotor set	Beckman Coulter	331336
Thinwall, Ultra-clear centrifuge tubes, 13.2 ml, 14 x 89 mm	Beckman Coulter	344059
Tris hydrochloride	AppliChem	A1087
X31 Influenza A virus (H3N2), egg-grown, clarified allantoic fluid	Virapur		Freshly thawed on 4°C