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In-vivo and in silico studies of the receptor binding specificity of human rhinoviruses

Christoph Weber

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Dieter Blaas

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DOI

10.25365/thesis.5520

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29636.80907.528054-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Humane Rhinoviren (HRV) sind verantwortlich für rund die Hälfte aller Erkältungen beim Menschen. Die zur Familie der Picornaviren gehörigen Rhinoviren besitzen ein ikosaedrisches Kapsid, das aus den 4 viralen Strukturproteinen (VP1, VP2, VP3 und VP4) aufgebaut ist. Der Durchmesser dieses Kapsids beträgt 30 nm. Die mehr als hundert verschiedenen Virustypen können anhand ihrer Fähigkeit an zelluläre Rezeptoren zu binden eingeteilt werden. Die weitaus größere Gruppe der beschriebenen Rhinoviren binden an den ICAM-1 Rezeptor um in die Wirtszelle zu gelangen. Eine kleine Gruppe von Rhinoviren, genannt „minor group“ Viren binden an LDL-Rezeptoren, wie LDLR, LRP und VLDLR. Ein Ziel dieser Arbeit war es neue Einblicke in die Details der Interaktion von Virus und Rezeptor zu erhalten. Vorhergehende Untersuchungen dieser Interaktion zeigten, dass nur ein virales Protein in diese Wechselwirkung involviert ist. Dieses virale Protein 1 (VP1 genannt), und im speziellen die Oberflächen-„loops“ sind an der Wechselwirkung mit den LDL Rezeptoren beteiligt. Sequenzanalysen der LDLR bindenden Rhinoviren („minor group“ viruses) zeigten, dass lediglich ein Aminosäurerest, ein Lysin, strikt konserviert ist. Dieses Lysin befindet sich in der Mitte des HI-„loop“. Man nahm an, dass dieses Lysin verantwortlich sei für die Bindung an LDL Rezeptoren. Es wurden jedoch einige Rhinovirus Typen gefunden, die an der gleichen Stelle ebenfalls ein Lysin aufweisen. Diese Gruppe von Viren (K-Typen) können anhand ihrer Sequenzmerkmale nicht von „minor group“ Viren unterschieden werden, jedoch können sie den LDL Rezeptor nicht für die Infektion verwenden. Im ersten Teil meiner Diplomarbeit ging es um die Entwicklung eines Bioinformatischen Klassifizierungsverfahrens. Mit diesem sollte es möglich sein alle bekannten Rhinovirus Typen gemäß ihrer Rezeptor Spezifikation einzuteilen. Die Methode beruht auf der Hypothese, dass bindende Typen eine zum Rezeptor komplementäre Ladungsverteilung an ihrer Oberfläche aufweisen, die es ihnen ermöglicht den Rezeptor zu binden. Gemäß dieser Hypothese sollten die Bindungsaffinitäten der bindenden Typen höher sein als die der nicht bindenden Typen. Die 3D Strukturen des VP1 Proteins wurden durch „homology modelling“ erhalten. 3D Koordinaten, die der determinierten Röntgenstruktur von HRV2 mit gebundenen V3 entnommen wurden, dienten als Matrize für alle die Anordnung aller anderen Rhinoviren-Rezeptor Komplexe. Nach einem Energie Minimisierungsschritt wurden die Modelle aller Rhinoviren mit gebundenem Rezeptor hinsichtlich ihrer Bindungsaffinität analysiert. Eine der verwendeten Methoden, war tatsächlich in der Lage alle Rhinoviren korrekt zu klassifizieren. Die Gruppe der K-Typen hatten generell höhere Affinitäten zu dem verwendeten Rezeptor (V3), als andere „major group“ Viren. Im anschließenden Teil der Arbeit wurde ein „major group“ Virus (HRV14) so mutiert, das er einen gänzlich veränderten HI-loop aufweist. Die Sequenz des am stärksten in der Virus-Rezeptor Interaktion involvierten Oberflächen“loop“ (HI-loop) wurde gegen die Sequenz eines „minor group“ Virus mittels Zielgerichteter Mutagenese ausgetauscht. RNA Klone der mutierten Sequenz waren jedoch nicht infektiös. Es gelang lediglich einen infektiösen Klon der nur eine Punktmutation im HI-„loop“ aufwies herzustellen.

Abstract

(Englisch)

Major group HRVs bind intercellular adhesion molecule 1 (ICAM1) and minor group HRVs bind members of the low-density lipoprotein receptor (LDLR) family for cell entry. Whereas the former share common sequence motives in their capsid proteins, in the latter only a lysine residue within the binding epitope in VP1 is conserved; this lysine is also present in ten "K-type" major group HRVs which fail to bind LDLR. A bioinformatic approach based on the available VP1 sequences three-dimensional models of VP1 of all HRVs were built and binding energies, with respect to module 3 of the very-low density lipoprotein receptor, were calculated. Based on the predicted affinities, K-type HRVs and minor group HRVs were correctly classified. With the intention to find conserved binding patterns the energy tables that indicate the interacting binding partners were transformed into heatmaps. In addition to the heatmaps a bar diagram that shows the interaction energy of the different receptor residues of all minor group and K-type viruses was made. In further improvements the module 3 of VLDLR was replaced by the ligand binding repeat 5 of human and mouse LDLR. To examine the predictive power of the in silico application two non-classified field isolates were analyzed. In a site directed mutagenesis experiment the HI-loop of HRV14 (major group) was changed into the sequence of the HI-loop of HRV2 (minor group). The newly created chimeric virus (HRV14_HI2) was not infective. Also a revision of the experiments under optimized conditions could not create an infective virus. The only chimeric virus that could be produced was HRV14_K. In this virus a histidine to lysine mutation at position 232 was successfully accomplished. The properties of this artificial K-Type virus to bind LDLR were checked in infection assays using RD cells.

Autor*innen

Christoph Weber

Haupttitel (Englisch)

In-vivo and in silico studies of the receptor binding specificity of human rhinoviruses

Paralleltitel (Deutsch)

In-vivo und in silico Studien über die Rezeptor Erkennung bei humanen Rhinoviren

Publikationsjahr

2009

Umfangsangabe

86 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Dieter Blaas

Klassifikation

42 Biologie > 42.32 Virologie

AC Nummer

AC08166829

Utheses ID

4948

Studienkennzahl

UA | 441 | | |

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