[논문 리뷰] Influence of salt and viral protein charge distribution on encapsidation of single-stranded viral RNA molecules

Antonio Šiber, Rudolf Podgornik|ArXiv.org|2008. 06. 01.

Bacteriophages and microbial interactions참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 평균장 전기적 모델을 사용하여 염류 농도가 바이러스 내 단일가닥 RNA 봉입의 열역학에 결정적으로 영향을 준다는 것을 보여준다. 캡시드 단백질의 팔에 분산된 양전하가 고염 농도 환경에서 바이러스의 조립 안정성을 크게 향상시키며, 이는 이온 농도 변화에 대한 진화적 이점을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전하를 띤 단일가닥 RNA와 양전하를 띤 캡시드 단백질 간의 전기적 상호작용이 바이러스 자가조립에 미치는 역할을 이해하기 위해.
• 1价 염류 농도가 바이러스 캡시드-RNA 복합체 형성의 열역학에 어떻게 영향을 주는지 조사하기 위해.
• 특히 전하가 얇은 껍질에 국한되어 있는지 또는 돌출된 팔에 분산되어 있는지에 따라 캡시드 단백질의 전하 분포가 조립 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 전하 분산이 바이러스 조립 과정의 신뢰성과 염류 내성에 어떻게 영향을 주는지 규명하기 위해.
• 기존의 상충되는 모델을 통합하기 위해 공간적 전하 분포가 바이러스 시스템에서 염류 의존성 에너티크스를 어떻게 결정하는지 보여주기 위해.

제안 방법

• 폴리이온체 체인, 전기적 위치 에너지, 염류 이온, 고정된 캡시드 전하 밀도의 기여를 포함하는 평균장 자유 에너지 기능을 수립하였다.
• 구형 대칭 조건 하에서 전기적 상호작용과 폴리이온체 구조를 모델링하기 위해 일반화된 포아송-볼츠만 방정식과 에드워즈 방정식을 사용하였다.
• 고정된 RNA 단량체 총수를 유지하기 위해 라그랑주 승수를 통해 제약 조건을 도입하였다.
• 캡시드 전하를 얇은 껍질(식 (1))과 분산된 팔(식 (3))로 모델링하였으며, 팔의 길이는 ξ이고 총 전하는 Qc이다.
• 캡시드 반경에서 폴리이온체 농도가 0이 되도록 하는 경계 조건을 적용하여 연립 방정식을 수치적으로 해결하였다.
• 다양한 염류 농도(c₀ = 10–700 mM)와 RNA 길이를 대비하여 최적의 봉입과 안정성을 평가하기 위해 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 염류 농도가 증가할수록 바이러스 내 ssRNA 봉입의 열역학적 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전하가 균일한 얇은 껍질에 집중되어 있을 때와 비교해, 캡시드 단백질 팔에 전하가 분산되어 있을 경우 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다른 전하 분포 모델에서 염류 농도가 증가함에 따라 봉입에 최적인 RNA 길이는 어떻게 변하는가?
• RQ4 전하 분산이 고이온 농도에 대한 바이러스 조립의 민감도를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ5 폴리이온체 매개변수(a, v), 팔 길이(ξ), 그리고 디바이 스크리닝 길이의 네 가지 길이 척도가 상호작용하여 RNA 농도 프로파일에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• 캡시드 전하가 얇은 껍질에 국한되어 있을 경우 고염 농도에서 ssRNA 봉입이 열역학적으로 억제되며, 이는 자유 에너지 최소값의 증가로 나타난다.
• 분산된 캡시드 전하(예: 단백질 팔에 존재할 경우)에서는 100 mM 염류에서 캡시드당 약 450 kBT 감소된 결합 에너지를 보이며, 이는 더 강한 복합체 안정성을 의미한다.
• 전하가 분산되어 있을 경우 봉입에 최적인 RNA 길이는 염류 농도 변화에 덜 민감하다: 염류 농도가 10에서 700 mM로 증가함에 따라 단량체 수가 700에서 550으로 감소한다.
• 초과된 RNA 길이에서 팔 길이, 디바이 스크리닝, 폴리이온체 매개변수 간의 상호작용으로 인해 특징적인 '이중봉우리형' 폴리이온체 농도 프로파일이 나타난다.
• 결과는 전하 분산이 고염 내성과 다양한 이온 조건에서의 강건한 조립을 동시에 설명함으로써 이전의 상충되는 모델을 통합한다.
• 이러한 발견들은 전하가 분산된 캡시드 단백질 팔이 변화하는 이온 환경에서 조립의 신뢰성을 향상시켜 진화적 이점을 제공한다는 것을 시사한다.