[論文レビュー] Influence of salt and viral protein charge distribution on encapsidation of single-stranded viral RNA molecules

Antonio Šiber, Rudolf Podgornik|ArXiv.org|Jun 1, 2008

Bacteriophages and microbial interactions参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、平均場電気的モデルを用いて、塩濃度がウイルスにおける一本鎖RNAのカプシド封入の熱力学にどのように影響するかを示している。キャプシドタンパク質の腕に拡散した正電荷は、高塩濃度環境下でのウイルスの自己集合安定性を顕著に向上させ、イオン濃度の変動に対する進化的利点を説明している。

ABSTRACT

We examine the limits on viral composition that are set by the electrostatic interactions effected by the charge on the viral proteins, the single-stranded viral RNA molecule and monovalent salt ions in the solution. Within the mean-field model of viral energetics we demonstrate the prime importance of the salt concentration for the assembly of a virus. We find that the encapsidation of the viral RNA molecule is thermodynamically suppressed in solutions with high concentrations of monovalent salt. This effect is significantly less important in viruses with proteins whose charge distribution protrudes into the interior of the capsid, leading to an increase in the stability of such viruses in solutions with high salt concentrations. The delocalization of positive charge on the capsid protein arms thus profoundly increases reliability of viral assembly in high-salt solutions.

研究の動機と目的

• 負に帯電したssRNAと正に帯電したキャプシドタンパク質との間の電気的相互作用がウイルス自己集合に果たす役割を理解すること。
• 一価塩濃度がウイルスキャプシド-RNA複合体形成の熱力学にどのように影響するかを調査すること。
• 特に、電荷が薄いシェル上に局在しているか、発出する腕に拡散しているかというキャプシドタンパク質の電荷分布が、自己集合安定性に与える影響を評価すること。
• 電荷の拡散が、自己集合プロセスの信頼性および塩耐性にどのように影響するかを特定すること。
• 空間的電荷分布がウイルス系における塩濃度依存的エネルギーに支配的であることを示し、矛盾する先行モデルを統合すること。

提案手法

• ポリエレクトロライト鎖、電気的ポテンシャル、塩イオン、固定されたキャプシド電荷密度からの寄与を含む平均場自由エネルギー関数を定式化する。
• 球対称性下での電気的状態とポリエレクトロライトの形状をモデル化するため、一般化されたポisson-Boltzmann方程式とEdwards方程式を用いる。
• RNAモノマー総数が一定となるように制約を課すためにラグランジュ乗数を導入する。
• キャプシド電荷を薄いシェル（式1）と拡散した腕（式3）としてモデル化し、腕の長さをξ、全電荷をQcとする。
• ポリエレクトロライト密度がキャプシド半径でゼロとなる境界条件を課し、連立方程式を数値的に解く。
• 封入最適化と安定性を評価するために、塩濃度（c₀ = 10–700 mM）とRNA長さを変化させた結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 塩濃度を上昇させると、ウイルスにおけるssRNAカプシド封入の熱力学的安定性はどのように変化するか？
• RQ2 電荷が均一な薄いシェル上に局在している場合と比較して、キャプシドタンパク質の腕に正電荷を拡散させるとどのような効果があるか？
• RQ3 異なる電荷分布モデルにおいて、塩濃度の変化に伴い、カプシド封入の最適RNA長さはどのように変化するか？
• RQ4 電荷の拡散が、高イオン強度下での自己集合への感受性をどの程度低減するか？
• RQ5 ポリエレクトロライトパラメータ（a, v）、腕の長さ（ξ）、デバイスクリーニング長の4つの長さスケールの相互作用が、RNA密度プロファイルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• キャプシド電荷が薄いシェル上に局在している場合、高塩濃度ではssRNAカプシド封入が熱力学的に抑制され、自由エネルギーの最小値が上昇することが観察された。
• 電荷が拡散したキャプシド（例：タンパク質の腕上）では、100 mMの塩濃度下で1キャプシドあたり約450 kBTの結合エネルギーが減少し、複合体の安定性が高まっていることが示された。
• 電荷が拡散している場合、最適RNA長さは塩濃度の変化に対してあまり敏感ではなく、塩濃度が10から700 mMに上昇するにつれて、モノマー数は700から550に減少した。
• 最適RNA長を超える場合、腕の長さ、デバイスクリーニング、ポリエレクトロライトパラメータの相互作用により、「二峰性」のポリエレクトロライト濃度プロファイルが出現した。
• 本研究の結果は、電荷の拡散が、高塩濃度耐性と多様なイオン条件下での頑健な自己集合を説明できることを示し、矛盾する先行モデルを統合した。
• これらの発見は、電荷が拡散したキャプシドタンパク質の腕が、変動するイオン環境下でも自己集合の信頼性を高める進化的利点を提供している可能性を示唆している。