Potato virus A as a heterologous protein expression tool in plants

Viruksien käyttö tuotekehityksen ja tutkimuksen vaatimien proteiinien tuottamiseen, syötävien rokotteiden kehittämiseen ja geeniterapiaan edustavat kasvavia biotekniikan sovellusalueita. Perunan A-virus (PVA) kuuluu potyviruksiin, joiden proteiinit tuotetaan aluksi yhtenä suurena molekyylinä, joka pilkotaan yksittäisiksi proteiineiksi viruksen itsensä tuottamilla entsyymeillä. Siten virusgenomiin lisätty vieras geeni käännetään proteiiniksi virusproteiinien mukana. Lopputuloksena kaikkia proteiineja tuotetaan kasvisoluissa samansuuruinen määrä. Lisäksi, viruksen proteiinikuoren koontimekanismi sallii perintöaineksen merkittävän lisäyksen ilman että viruksen tartutuskyky merkittävästi heikkenee. Koska virus monistuu ja leviää koko kasviin, jo melko pieni määrä kasveja riittää huomattavan proteiinimäärän tuottamiseen esimerkiksi säännösten mukaisessa kasvihuoneessa. Tämän työn tarkoituksena oli muuntaa PVA:n genomia siten, että virus soveltuisi yhden vieraan proteiinin tai useiden erilaisten proteiinien samanaikaiseen tuottamiseen kasveissa. Aluksi kokeiltiin viruksen replikaasia ja kuoriproteiinia koodaavien genomialueiden välistä kohtaa ja ihmisestä peräisi olevaa geeniä, joka tuotti S-COMT-entsyymiä (katekoli-O-metyylitransferaasi). Sen aktiivisuuden rajoittaminen auttaa Parkinsonintaudin hoidossa. Kasvissa tuotettua S-COMT:ia voitaisiin käyttää lääkekehityksessä estolääkkeiden testaukseen. Kahden viikon kuluttua tartutuksesta tupakan lehdissä oli entsymaattisesti aktiivista S-COMT:ia n. 1 % lehden liukoisista proteiineista. PVA:n P1-proteiinia koodaavalta alueelta oli paikannettu kohta, johon ehkä voitaisiin siirtää vieras geeni. Asia varmistettiin siirtämällä tähän kohtaan meduusan geeni, joka tuottaa UV-valossa vihreänä fluoresoivaa proteiinia (GFP). GFP-geeniä kantava PVA levisi kasvissa ja lisääntyi n. 30-50 %:iin viruksen normaalista pitoisuudesta. Koko kasvi fluoresoi vihreänä UV-valossa. Vieras geeni voidaan sijoittaa myös potyviruksen P1- ja HCpro-proteiineja koodaavien alueiden väliin. Samaan PVA-genomiin siirrettiin kolme geeniä, yksi kuhunkin kolmesta kloonauskohdasta: GFP-geeni P1:n sisälle, merivuokon lusiferaasigeeni P1/HCpro-kohtaan ja bakteerin beta-glukuronidaasigeeni (GUS) replikaasi/kuoriproteiini-kohtaan. Virusgenomin ja itse viruksen pituudet kasvoivat 38 %, mutta virus säilytti tartutuskykynsä. Se levisi kasveissa saavuttaen n. 15 % viruksen normaalista pitoisuudesta. Kaikki kolme vierasta proteiinia esiintyivät lehdissä aktiivisina.

Biochemical and structural properties of Potato virus A VPg

The potato virus A (PVA) genome linked protein (VPg) is a multifunctional protein that takes part in vital infection cycle events such as replication and movement of the virus from cell to cell. VPg is attached to the 5´ end of the genome and is carried in the tip structure of the filamentous virus particle. VPg is also the last protein to be cleaved from the polyprotein. VPg interacts with several viral and host proteins and is phosphorylated at several positions. These features indicate a central role in virus epidemiology and a requirement for an efficient but flexible mechanism for switching between different functions. -- This study examines some of the key VPg functions in more detail. Mutations in the positively charged region from Ala38 to Lys44 affected the NTP binding, uridylylation, and in vitro translation inhibition activities of VPg, whereas in vivo translation inhibition was not affected. Some of the data generated in this study implicated the structural flexibility of the protein in functional activities. VPg lacks a rigid structure, which could allow it to adapt conformationally to different functions as needed. A major finding of this study is that PVA VPg belongs to the class of ´intrinsically disordered proteins´ (IDPs). IDPs are a novel protein class that has helped to explain the observed lack of structure. The existence of IDPs clearly shows that proteins can be functional and adapt a native fold without a rigid structure. Evidence for the intrinsic disorder of VPg was provided by CD spectroscopy, NMR, fluorescence spectroscopy, bioinformatic analysis, and limited proteolytic digestion. The structure of VPg resembles that of a molten globule-type protein and has a hydrophobic core domain. Approximately 50% of the protein is disordered and an α-helical stabilization of these regions has been hypothesized. Surprisingly, VPg structure was stabilized in the presence of anionic lipid vesicles. The stabilization was accompanied by a change in VPg structure and major morphological modifications of the vesicles, including a pronounced increase in the size and appearance of pore or plaque like formations on the vesicle surface. The most likely scenario seems to be an α-helical stabilization of VPg which induces formation of a pore or channel-like structure on the vesicle surface. The size increase is probably due to fusion or swelling of the vesicles. The latter hypothesis is supported by the evident disruption of the vesicles after prolonged incubation with VPg. A model describing the results is presented and discussed in relation to other known properties of the protein.

Movement-associated proteins of Potato virus A: attachment to virus particles and phosphorylation

The particles of Potato virus A (PVA; genus Potyvirus) are helically constructed filaments that contain multiple copies of a single type of coat-protein (CP) subunit and a single copy of genome-linked protein (VPg), attached to one end of the virion. Examination of negatively-stained virions by electron microscopy revealed flexuous, rod-shaped particles with no obvious terminal structures. It is known that particles of several filamentous plant viruses incorporate additional minor protein components, forming stable complexes that mediate particle disassembly, movement or transmission by insect vectors. The first objective of this work was to study the interaction of PVA movement-associated proteins with virus particles and how these interactions contribute to the morphology and function of the virus particles. Purified particles of PVA were examined by atomic force microscopy (AFM) and immuno-gold electron microscopy. A protrusion was found at one end of some of the potyvirus particles, associated with the 5' end of the viral RNA. The tip contained two virus-encoded proteins, the genome-linked protein (VPg) and the helper-component proteinase (HC-Pro). Both are required for cell-to-cell movement of the virus. Biochemical and electron microscopy studies of purified PVA samples also revealed the presence of another protein required for cell-to-cell movement the cylindrical inclusion protein (CI), which is also an RNA helicase/ATPase. Centrifugation through a 5-40% sucrose gradient separated virus particles with no detectable CI to a fraction that remained in the gradient, from the CI-associated particles that went to the pellet. Both types of particles were infectious. AFM and translation experiments demonstrated that when the viral CI was not present in the sample, PVA virions had a beads-on-a-string phenotype, and RNA within the virus particles was more accessible to translation. The second objective of this work was to study phosphorylation of PVA movement-associated and structural proteins (CP and VPg) in vitro and, if possible, in vivo. PVA virion structural protein CP is necessary for virus cell-to-cell movement. The tobacco protein kinase CK2 was identified as a kinase phosphorylating PVA CP. A major site of CK2 phosphorylation in PVA CP was identified as a single threonine within a CK2 consensus sequence. Amino acid substitutions affecting the CK2 consensus sequence in CP resulted in viruses that were defective in cell-to-cell and long-distance movement. The CK2 regulation of virion assembly and cell-to-cell movement by phosphorylation of CP was possibly due to the inhibition of CP binding to viral RNA. Four putative phosphorylation sites were identified from an in vitro phosphorylated recombinant VPg. All four were mutated and the spread of mutant viruses in two different host plants was studied. Two putative phosphorylation site mutants (Thr45 and Thr49) had phenotypes identical to that of a wild type (WT) virus infection in both Nicotiana benthamiana and N. tabacum plants. The other two mutant viruses (Thr132/Ser133 and Thr168) showed different phenotypes with increased or decreased accumulation rates, respectively, in inoculated and the first two systemically infected leaves of N. benthamiana. The same mutants were occasionally restricted to single cells in N. tabacum plants, suggesting the importance of these amino acids in the PVA infection cycle in N. tabacum.

The viral coat protein is regulated by HSP70 and HSP40 in Potato virus A infection

Plus-stranded (plus) RNA viruses multiply within a cellular environment as tightly integrated units and rely on the genetic information carried within their genomes for multiplication and, hence, persistence. The minimal genomes of plus RNA viruses are unable to encode the molecular machineries that are required for virus multiplication. This sets requisites for the virus, which must form compatible interactions with host components during multiplication to successfully utilize primary metabolites as building blocks or metabolic energy, and to divert the protein synthesis machinery for production of viral proteins. In fact, the emerging picture of a virus-infected cell displays tight integration with the virus, from simple host and virus protein interactions through to major changes in the physiological state of the host cell. This study set out to develop a method for the identification of host components, mainly host proteins, that interact with proteins of Potato virus A (PVA; Potyvirus) during infection. This goal was approached by developing affinity-tag based methods for the purification of viral proteins complexed with associated host proteins from infected plants. Using this method, host membrane-associated viral ribonucleoprotein (RNP) complexes were obtained, and several host and viral proteins could be identified as components of these complexes. One of the host proteins identified using this strategy was a member of the heat shock protein 70 (HSP70) family, and this protein was chosen for further analysis. To enable the analysis of viral gene expression, a second method was developed based on Agrobacterium-mediated virus genome delivery into plant cells, and detection of virally expressed Renilla luciferase (RLUC) as a quantitative measure of viral gene expression. Using this method, it was observed that down-regulation of HSP70 caused a PVA coat protein (CP)-mediated defect associated with replication. Further experimentation suggested that CP can inhibit viral gene expression and that a distinct translational activity coupled to replication, referred to as replication-associated translation (RAT), exists. Unlike translation of replication-deficient viral RNA, RAT was dependent on HSP70 and its co-chaperone CPIP. HSP70 and CPIP together regulated CP turnover by promoting its modification by ubiquitin. Based on these results, an HSP70 and CPIP-driven mechanism that functions to regulate CP during viral RNA replication and/or translation is proposed, possibly to prevent premature particle assembly caused by CP association with viral RNA.

Resistance responses blocking systemic movement of Potato virus A in potato

Peruna kestää A-virusta estämällä sen leviämistä Peruna on maissin ohella maailman kolmanneksi tärkein ravintokasvi vehnän ja riisin jälkeen. Perunaa lisätään kasvullisesti mukuloita istuttamalla, jolloin virukset siirtyvät sairaiden siemenmukuloiden välityksellä kasvukaudesta toiseen. Virustauteja voi torjua ainoastaan terveen siemenperunan ja kestävien lajikkeiden avulla. Kestävyys perustuu usein siihen, että kasvi estää viruksen leviämisen tartuntakohdasta välttyäkseen virustaudilta. Tässä työssä tutkittiin kolmea perunan A-viruksen (PVA) liikkumista estävää kestävyysmekanismia perunassa. Lisäksi työn kokeelliseen osaan oleellisesti kuuluvaa virustartutusta varten kehitettiin uusi paranneltu versio geenipyssystä. Tämä itse rakennettu laite optimoitiin PVA:n tartuttamiseen mahdollisimman helposti ja pienin käyttökustannuksin. Tutkimuksen kohteena olleessa perunan risteytysjälkeläistössä oli PVA:ta kestäviä kasveja (ryhmä nnr), jotka estivät viruksen liikkumisen aiheuttamatta oireita tartutuskohdassa, sekä kasveja, joissa PVA aiheutti kuolioläikkinä näkyvän yliherkkyysvasteen (ryhmä HR). Molemmissa kestävyystyypeissä virus pystyi monistumaan ja leviämään solusta soluun paikallisesti, mutta liikkuminen muihin kasvinosiin nilan kautta estyi. Ryhmän nnr kasveissa PVA-tartunta ei aiheuttanut tilastollisesti merkitsevää muutosta useimpien geenien ilmenemiseen tartuntakohdassa. Ainoastaan geeniperhe, joka ilmentää tiettyä proteinaasi-inhibiittoria (PI), reagoi PVA:han 24 tuntia tartutuksesta. Kun tämän PVA:han reagoivan geeniperheen jäsenet hiljennettiin nnr- perunalinjoissa, ne muuttuivat alttiiksi PVA:lle ja virus levisi tartuntakohdasta muihin kasvinosiin. Tulos osoittaa, että PI on viruskestävyystekijä. Lisäksi muut tutkimuksessa saadut tulokset tukevat mahdollisuutta, että PI estää PVA:n P1-proteinaasin toimintaa. HR-linjoissa todettiin erilaisiin puolustusvasteisiin liittyvien PR-geenien aktivoitumista PVA-tartunnan seurauksena, mutta myös ilman sitä kasvien kasvettua mullassa noin neljä viikkoa. Sen sijaan solukkoviljelyssä tai vasta kaksi viikkoa mullassa kasvaneissa kasveissa vastaavaa ei vielä todettu. Tulos viittaa siihen, että HR-perunat reagoivat herkemmin ympäristöön ja/tai kasvin kehitysasteeseen laukaisten puolustusvasteita, jotka saattavat parantaa kestävyyttä taudinaiheuttajia vastaan. Kolmas tutkittu kestävyystyyppi havaittiin Pito-perunalajikkeessa. Se muistutti nnr-kestävyyttä siten, että myös siinä viruksen liikkuminen nilassa muihin kasvinosiin estyi. PVA:n todettiin pysähtyvän vasta lehtiruodin tyvelle muodostuvaan irtoamisvyöhykkeeseen, mitä havainnollistettiin käyttämällä muunnettua PVA-rotua, joka tuotti UV-valossa fluoresoivaa vihreää valoa. Tulos viittaa siihen, että virus ei pääse kulkemaan vyöhykkeeseen kuuluvan suojaavan kerroksen läpi, jollei sillä ole pääsyä nilaan. Tällainen kestävyys on tarpeen, jotta virus ei voi korvata nilakuljetusta solusta soluun leviämisellä. Tulokset tuovat uusia näkökulmia kasvien viruskestävyyteen ja auttavat selittämään viruksen nilakuljetuksen estymistä sekä solusta soluun leviämisen pysähtymistä kestävissä kasveissa.