Charakterizace vstupu virů do buňky in vivo a ex vivo

Mgr. Dominik Hrebík, Ph.D.

Doctoral thesis

Characterization of viral cell entry in vivo and ex vivo

Abstract:

Všechny domény života od baktérií až po eukaryota mají své viry. Virus musí najít specifický receptor na buněčném povrchu hostitele, na který se naváže, čímž započne infekce. Následně virus doručí svůj genetický materiál do buňky hostitele. Avšak pro většinu virů je princip tohoto mechanismu na úrovni molekul pořád neznámý. V této dizertační práci se zabývám molekulárnímy mechanismy vstupu virů do buňky hostitele, které jsem studoval na třech virech – na bakteriofágu P68 infikující buňky Staphylococcus aureus, a na lidských virech z rodu Enterovirus – rhinoviru 14 a enteroviru 18. Struktura bakteriofága P68 byla vyřešena kombinací metod kryo-elektronové mikroskopie a röntgenové krystalografie. Srovnáním struktur bakteriofága P68 v různých fázech vypuštění genomu jsem navrhl mechanismus doručení genomu fága do buňky. Tyto výsledky pomohou k lepšímu porozumění architektury fágů z čeledě Podoviridae a můžou vést k zlepšení fágové terapie proti S. aureus. Komplex rhinoviru 14 a jeho receptoru ICAM-1 byl vyřešen pomocí kryo-EM s rozlišením 2.4 Å. Dokázal jsem, že receptor ICAM-1 spouští molekulární spínač skrytý uvnitř virové kapsidy, který je nezbytný pro vypuštění genomu z viru. Taky jsem identifikoval strukturovanou část RNA genomu, který interaguje s kapsidovým proteinem uvnitř nativního rhinoviru 14. Na základě biochemických experimentů a struktur rhinoviru 14 v různých prostředích jsem navrhl precizně organizovaný mechanismus, který kontroluje načasování vypuštění genomu rhinoviru 14 do lidské buňky. Společně se strukturou echoviru 18, u kterého jsme popsali nový mechanismus vypuštění genomu - virus odklápí jeden nebo víc pentamer z kapsidu - ukazuje kombinace těchto dvou studií kompletní mechanismus od navázání viru až po vypuštění genomu do lidské buňky. Tyto poznatky můžou pomoct při vývoji nových antivirotik cílících na počáteční kroky infekce viru z čeledě Enterovirus.

Abstract:

Viruses have evolved to infect all domains of life – from bacteria to eukaryotes. The virus must encounter and bind a specific receptor on the cell’s surface to start the infection. Then, the virus delivers its genetic material into the host cytoplasm. However, for most viruses, it is still unknown how the genome release mechanism is controlled at a molecular level. Here I present my structural work on three viruses – bacteriophage P68 infecting Staphylococcus aureus, and rhinovirus 14 and echovirus 18 from genus Enterovirus infecting humans. The structure of bacteriophage P68 was solved by a combination of cryo-electron microscopy and X-ray crystallography. Based on the comparison of structures of phage P68 in different stages of the genome release, I proposed a mechanism of the cell entry. The results may lead to improved phage therapy and a better understanding of the assembly of bacteriophages from the family Podoviridae infecting gram-positive bacteria. The rhinovirus-14-ICAM-1 structure was solved by cryo-EM to the resolution of 2.4 Å. I proved that the receptor ICAM-1 triggers a molecular switch inside the capsid, necessary for the virus to release its genome. Additionally, a structured part of the RNA genome interacting with capsid protein was identified. I proposed orchestrated steps triggered by the binding of ICAM-1, which eventually result in the uncoating of the viral genome. Along with the structure of the echovirus 18 expelling pentamers to release its genome, the structural analysis of rhinovirus 14-ICAM-1 the complex provides a seamless mechanism of initial stages of infection of Enteroviruses from the initial receptor binding to final genome release into the host cytoplasm. Our findings uncovered mechanisms of the initial steps of Enterovirus infection that could be targeted by antiviral drugs.

Keywords

Kryo- elektronová mikroskopie, Röntgenová krystalografie, Bakteriofág, Pikornavirus, Enterovirus, Rhinovirus, Vypuštění genomu, Vstup do buňky, Cryo-electron microscopy, X-ray crystallography, Bacteriophage, Picornavirus, Genome release, Cell entry

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 2. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 17. 2. 2022
• Supervisor: doc. Mgr. Pavel Plevka, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Jitka Forstová, CSc., Brian Kelch, PhD

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biomolecular chemistry and bioinformatics / Biomolecular chemistry and bioinformatics