Structural and Functional Studies on Evolutionary Repurposing of H-box/NC-proteins : From Host Factor to Virus Protein

• The Picornaviridae are a large family of biomedically important viruses causing diseases such as the common cold, hepatitis A and polio in humans and foot-and-mouth disease in cattle. These diseases have great impact on people’s everyday life and cause economical losses all around the world. To date, no antiviral treatments are available. In attempts to identify potential drug targets for novel antiviral therapies, a human protein was identified as a common host factor for several enteroviruses, a genus within the picornavirus family. This host factor, PLAAT3, facilitates genome transfer from the virus particle into the cytoplasm early in the viral lifecycle prior to virus clearance by autophagy. PLAAT3 is part of a human phospholipid-modifying enzyme family of five members, PLAAT1-5, which all have a conserved H-box/NC-motif forming the active site of these enzymes as well as a hydrophobic C-terminal region that is critical for enzymatic function. This H-box/ NC-motif is also found in the 2A locus of some picornaviruses, suggesting that these viruses might have acquired the protein through horizontal gene transfer to become independent of the human host factor.This thesis focuses on understanding the structural mechanism allowing picornavirus infection. Therefore, two members of the PLAAT-family were studied together with viral 2A proteins sharing the H-box/NC-motif.PLAAT3 was studied with the aim to elucidate its molecular mechanism underpinning its role as a host factor enabling genome transfer. PLAAT3 is composed of a globular N-terminal domain (NTD), whose structure has previously been determined, followed by a 30 amino acid long hydrophobic region (CTR). The catalytic site is located within the NTD, but the hydrophobic CTR is essential both for the catalytic activity as well as cellular localization of PLAAT3.PLAAT4 shares 50% sequence identity with PLAAT3 and exhibits a similar structure with a globular NTD followed by a hydrophobic tail. However, PLAAT4 shows a different activity pattern and displays enzymatic activity even in the absence of the CTR. By comparing the structural properties of PLAAT3 and PLAAT4 more can be understood of the structural characteristics enabling biological functions.The viral 2A proteins studied in this thesis originate from different picornavirus genera but all share the conserved H-box/NC-motif with the PLAAT-family. By investigating the structure and function of representative 2AH/NC proteins from different branches of the phylogenetic tree we aim to identify different steps of evolutionary repurposing to help us understand their role(s) in the viral lifecycle and determine the molecular mechanism allowing them to by-pass PLAAT3 as a host factor.

• Picornaviridae är en stor virusfamilj som omfattar flera sjukdomsalstrande virus som drabbar både människor och djur. Till exempel orsakas många vanliga förkylningar, hepatit A och polio av picornavirus samt även mul- och klövsjuka som drabbar boskapsdjur. I dagsläget saknas antivirala läkemedel som botar pågående virusinfektioner. Då virus muterar snabbt är en strategi för effektiv antiviral medicin att rikta in sig på humana proteiner som är essentiella för virusets replikation, så kallade värdfaktorer.Det humana proteinet PLAAT3 har tidigare identifierats som värdfaktor för enterovirus, ett genus inom picornavirusfamiljen, för vilka det möjliggör överföring av virusets arvsmassa (genom) in i värdcellen och på så vis möjliggör infektion. Värdfaktorn, PLAAT3, är del av en human proteinfamilj bestående av fem fosfolipid-modifierande enzymer, PLAAT1-5, som i sin sekvens har ett konserverat H-box/NC-motiv vars aminosyror är del av den aktiva katalytiska triaden. Samma H-box/NC-motiv kan även hittas som en del av genomet hos flera picornavirus (i s.k. 2A locus) vilket skulle kunna förklaras av att dessa virus har anammat H-box/NC-proteinsekvensen i sin egen arvsmassa genom horisontell genöverföring för att bli oberoende av PLAAT3 som värdfaktor.Denna avhandling fokuserar på att förstå den molekylara mekanismen som möjliggör picornavirusinfektioner. Därför har värdfaktorn PLAAT3 och dess homolog PLAAT4 studerats tillsammans med virala 2A proteiner innehållandes samma H-box/NC-motiv.PLAAT3 har studerats för att förstå dess egenskaper som värdfaktor som möjliggör genomöverföring. PLAAT3 består av en strukturerad N-terminal domän (NTD), med känd struktur, följt av en hydrofob sekvens på 30 aminosyror (CTR). Den katalytiska triaden bildas av tre aminosyror i NTD men den katalytiska aktiviteten samt även proteinets lokalisering i cellen är beroende av den C-terminala sekvensen (CTR).PLAAT4 och PLAAT3 är homologer och liknar varandra till 50% i aminosyra sekvensen. De har samma generella struktur med en strukturerad NTD följd av en hydrofob sekvens i C-terminalen. Dock visar de skillnader i enzymaktivitet då PLAAT4 är aktivt även i frånvaro av CTR. Jämförelser av PLAAT3 och PLAAT4 kan öka förståelsen för vilka egenskaper i strukturen som är avgörande för den biologiska funktionen.De virusproteiner som studeras i denna avhandling är 2A proteiner från olika picornavirus genera som alla delar det konserverade H-box/NC-motivet med PLAAT-familjen. Genom att undersöka struktur och funktion på utvalda och representativa 2AH/NC proteiner vill vi identifiera olika strukturella stadier där proteinets funktion har bytts ut under evolutionen. På så sätt vill vi förstå deras nuvarande roll(er) i virusets livscykel samt förstå den molekylära processen som kan göra dem oberoende av PLAAT3 som värdfaktor.

Ämnesord

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Medicinska och farmaceutiska grundvetenskaper -- Mikrobiologi inom det medicinska området (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Basic Medicine -- Microbiology in the medical area (hsv//eng)

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)