Structural studies of Deformed Wing Virus (DWV), a representative iflavirus infecting honeybees

Mgr. Karel Škubník, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Třetina zemědělských plodin závisí na opylení hmyzem. Včela medonosná (Apis mellifera) je nejdůležitějším opylovačem monokulturních plodin celosvětově a současně včely opylují bezpočet divoce kvetoucích rostlin, čímž přispívají k udržení různorodosti ekosystémů. Populace včel v Evropě a Severní Americe klesá v důsledku ztráty životního prostředí, znečištění, pesticidů a onemocnění, jako jsou například virové infekce způsobující smrtící epidemie ve včelích koloniích. Virus deformovaných křídel (DWV) je členem rodiny Iflaviridae a infikuje různé druhy opylovačů jako například včely a čmeláky. DWV je rozšířen po celém světě a způsobuje jak smrt jednotlivých včel, tak i zhroucení celých včelích kolonií, což ho řadí mezi jednu z hlavních hrozeb pro včelí populaci po celém světě. Navzdory významu DWV nebyla doposud známa ani struktura ani způsob, jimž vypouští virus svůj genom během infekce. Tato práce předkládá struktury DWV vyřešené pomocí rentgenové krystalografie a kryo-elekronové mikroskopie spolu s mechanismem vypouštění genomu, jenž je založen na zachycených strukturních modelech virů vypouštějících genom. DWV se odlišuje od virů z řádu Picornavirales, s již určenými strukturami, přítomností domén vyčnívajících nad povrch virionu. Každá doména, která je C-koncovým prodloužením kapsidového proteinu VP3, obsahuje potenciální aktivní místo složené z aminokyselin Asp-His-Ser, jež se mohou účastnit vázání receptoru či poskytovat proteázovou, lipázovou nebo esterázovou aktivitu. Potenciální aktivní místo může umožnit viru rozrušení endosomové membrány a přemístění virového genomu do cytoplasmy hostitelské buňky, proto by nalezení malých molekul vázajících se do potenciálního aktivního místa viru deformovaných křídel umožnilo zahájení vývoje léčiv. C-koncové domény VP3 na povrchu viru mohou měnit svou pozici z nativní konformace, ve které je potenciální aktivní místo viru skryto, na alternativní konformaci, která vystavuje potenciální aktivní místo okolnímu prostředí. V prostředí s neutrálním pH spolu domény interagují, avšak okyselení prostředí vede k narušení interakce mezi doménami a obnažení potenciálního aktivního místa. Vystavení viru deformovaných křídel prostředí s kyselým pH spouští současně také expanzi virových částic, jež může vyústit v rozpadnutí proteinového obalu viru následované vypuštěním virového genomu. Informace o způsobu vypouštění genomu viru deformovaných křídel umožňuje prozkoumání možností zablokování doručení genomu viru do hostitelských buněk, jež by mohlo zabránit šíření virové infekce.

Abstract:

A third of the human diet including fruit, vegetables, and nuts depends on animal pollination. The western honey bee (Apis mellifera) is the most important pollinator of crop monocultures worldwide. Honey bees also pollinate numerous wild flowering plants and thus support the biodiversity of ecosystems. Honey bee populations in Europe and North America are declining from habitat loss, environmental stress, and pathogens. Virus infections cause lethal epidemics of honeybee colonies. Deformed wing virus (DWV), a member of the family Iflaviridae, infects pollinators like honeybees and bumblebees. DWV is spread all over the world and causes the deaths of individual honey bees and collapses of honey bee colonies during winter. DWV is considered a major threat to the world´s honeybees. However, the structure of DWV and its genome delivery mechanism were unknown. This thesis presents several structures of DWV, which were solved by X-ray crystallography and cryo-electron microscopy. We propose a genome release mechanism of DWV based on structurally characterized genome release intermediates. DWV contains protruding domains positioned at the surface of the virion, which are unique among the previously structurally characterized viruses from the order Picornavirales. Each protruding domain contains a putative active site Asp-His-Ser, which may participate in receptor binding or provide the protease, lipase, or esterase activity. The putative active site may enable the virus to disrupt an endosome membrane and translocate its genome to a host cell cytoplasm. Identification of the small molecules binding to the putative catalytic site of DWV offers prospects for the development of treatments. The protruding domains can change position at the virus surface from the native conformation, in which the putative active site is hidden, to an alternative one that exposes the putative active site to the environment. We propose that the movement of the protruding domains is regulated by the pH of the environment. The protruding domains interact with each other at neutral pH, however the exposure of the virus to acidic pH breaks the interaction and exposes a putative active site. Exposure of the DWV to the acidic environment also triggers its asymmetric expansion, which results in expelling pentamers of capsid proteins, opening the capsid, and genome release. Information about the genome release mechanism of DWV enables exploring the possibility of blocking virus genome delivery, which would prevent DWV infection.

Keywords

Deformed wing virus, P-domain, genome release mechanism, cryo-electron microscopy, X-ray crystallography, Virus deformovaných křídel, P-doména, mechanismus vypouštění genomu, kryo-elektronová mikroskopie, rentgenová krystalografie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 6. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 28. 6. 2019
• Supervisor: Mgr. Pavel Plevka, Ph.D.
• Reader: Prof. Dieter Blaas, PhD., prof. Ing. Bohdan Schneider, CSc., DSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Biophysics