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Analyse funktioneller Domänen in den Kernfreisetzungskomplexproteinen pUL31 und pUL34 des Pseudorabies Virus

  • Während des Replikationszyklus der Herpesviren vermittelt ein heterodimerer Proteinkomplex, welcher als nuclear egress complex (NEC) bezeichnet wird, den Transport neu synthetisierter Nukleokapside vom Zellkern ins Zytoplasma. Ziel dieser Arbeit war es, die molekularen Grundlagen des viralen Kernaustritts weiter aufzuklären und funktionelle Domänen in den NEC-Komponenten, welche beim Pseudorabies Virus als pUL31 und pUL34 bezeichnet werden, zu ermitteln. Bereits durchgeführte Analysen konnten zeigen, dass die Transmembrandomäne des pUL34, die für die Verankerung des NEC an der Kernmembran verantwortlich ist, bei HSV-1 und PrV durch heterologe Sequenzen ausgetauscht werden kann, ohne dass dabei die Proteinfunktion während des viralen Kernaustritts inhibiert wird. Beim PrV pUL34 kann sogar eine Substitution der 50 C-terminalen Aminosäuren toleriert werden, wohingegen die Substitution 100 C-terminaler Aminosäuren zum Funktionsverlust des Proteins führt. Zur Identifikation möglicher funktioneller Domänen im C-Terminus des PrV pUL34 wurde das Protein in der vorliegenden Arbeit zwischen 50 und 100 C-terminalen Aminosäuren schrittweise verkürzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine Deletion von 85 C-terminale Aminosäuren keine Beeinträchtigung der Proteinfunktion verursachte, wohingegen die weitere Deletion und Substitution von 90 Aminosäuren den viralen Kernaustritt blockierte. Somit konnte ein funktionell wichtiger Bereich des Proteins auf die Aminosäuren 172 bis 176 eingegrenzt werden. In dieser Region befindet sich die Sequenz 173RQR175, die einem RXR-Motiv entspricht, das als Signalsequenz für den Transport von Membranproteinen an die innere Kernmembran beschrieben wurde. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführte Analyse konnte jedoch zeigen, dass es sich hierbei um ein Arginin basierendes ER-Lokalisierungssignal handelt, welches die Anreicherung von Proteinen im endoplasmatische Retikulum (ER) und der damit verbundenen Kernmembran vermittelt. Neben der konservierten C-terminalen Hälfte des PrV pUL34 wurde in dieser Arbeit auch der N-Terminus analysiert. Bereits durchgeführte Studien beim PrV pUL34 ergaben dabei, dass die ersten 161 Aminosäuren für die Interaktion mit pUL31 und damit für die NEC-Bildung verantwortlich sind. In der vorliegenden Arbeit konnte die pUL31-Interaktionsdomäne auf den Bereich von Aminosäure 5 bis 161 eingegrenzt werden. Zur Analyse wichtiger Aminosäuren oder Motive innerhalb der Interaktionsdomäne beim PrV pUL34 wurden in der vorliegenden Arbeit gezielt konservierte Aminosäuren zu Alanin ausgetauscht und die Auswirkungen auf die Bildung des NEC und der Funktion während einer Infektion analysiert. Dabei konnten zwei konservierte Motive identifiziert werden, die für die NEC-Bildung wichtig sind. Zum Einen wurde ein Motiv bestehend aus einer Glutaminsäure (E) und einem Tyrosin (Y) (EY-Motiv) detektiert, welches bereits in anderen pUL34-Homologen als essentiell für die Bildung eines funktionellen NEC beschrieben wurde. Für ein zweites Motiv bestehend aus einem Asparagin (N), einem Threonin (T) und einem Glycin (G) (NTG-Motiv) zeigte sich, dass N und G für die Funktion des NEC wichtig sind. Zusätzlich zu diesen beiden Motiven konnte ein konserviertes Asparagin an Position 103 identifiziert werden, welches zwar nicht für die Bildung des NEC benötigt wird, aber für die Funktion während des Kernaustritts essentiell ist. In dieser Arbeit wurde auch die zweite Komponente des NEC, das pUL31, untersucht. Dabei konnte die Funktion eines vorhergesagten Kernlokalisierungssignals (nuclear localization signal, NLS) im N-Terminus des Proteins bestätigt werden. Außerdem wurde ein Kernexportsignal (nuclear export signal, NES) identifiziert, welches eine wichtige Rolle bei der Knospung der Nukleokapside an der inneren Kernmembran während des Kernaustritts spielt. Hierfür wurden in dieser Studie die entsprechenden Bereiche im N- bzw. C-Terminus von pUL31 deletiert, was die Bildung eines funktionellen NEC und somit den Transport der Kapside aus dem Kern verhinderte. Ausgehend von vorherigen Untersuchungen am PrV pUL31, kann dabei spekuliert werden, dass der Bereich des NLS im N-Terminus neben der Lokalisierung im Zellkern möglicherweise auch für eine Funktion bei der Oligomerisierung von NECs bzw. pUL31-Molekülen wichtig ist. Der Bereich im C-Terminus, welcher das NES beinhaltet, scheint hingegen für die Komplexbildung mit pUL34 relevant zu sein. Zusammenfassend führten die hier durchgeführten Analysen in den beiden NEC-Komponenten pUL31 und pUL34 zu einem besseren Verständnis der molekularen Grundlagen des herpesviralen Kernaustritts. Da es bisher noch nicht gelungen ist eine Kristallstruktur des NEC zu ermitteln, sind Mutagenesestudien eine wichtige Methode funktionelle Domänen zu identifizieren. Die Aufklärung der NEC-Struktur kann in Kombination mit den bereits durchgeführten Mutagenesestudien das Verständnis der Funktion dieses Komplexes weiter komplettieren.
  • During herpesviral replication a heterodimeric protein complex, designated as nuclear egress complex (NEC), mediates the transport of de novo synthesized nucleocapsids from the nucleus to the cytoplasm. Although different models were proposed to describe this transport, which cannot take place via the nuclear pores due to the size of nucleocapsids, the envelopment-deenvelopment pathway is now widely accepted describing this process as a vesicular transport through the nuclear envelope. The aim of the present study was to further unravel the molecular details of herpesviral nuclear egress and to identify possible functional domains on both NEC-components, designated as pUL31 and pUL34 in Pseudorabies Virus (PrV), which are essential for efficient nuclear egress. Since no crystal structure of the NEC or any of its components has been determined yet most functional analyses are based on mutational studies of both NEC proteins. Previous studies demonstrated that the C-terminal transmembrane domain of HSV-1 and PrV pUL34, which anchors the NEC into the nuclear envelope, could be substituted by foreign transmembrane domains. In PrV pUL34 the substitution of even 50 C-terminal amino acids with heterologous sequences was tolerated while the substitution of 100 C-terminal amino acids abrogated protein function. To identify possible functional domains in the C terminus of PrV pUL34 the protein was sequentially deleted from 50 to 100 C-terminal amino acids and fused to the C terminus of cellular Lap2β in order to ensure localization at the inner nuclear membrane (INM). Thereby it could be shown that deletion of 85 C-terminal amino acids was tolerated, whereas deletion of 90 C-terminal amino acids abolished protein function during nuclear egress. Thus a functional domain within the C terminus could be delineated to amino acids 172-176. In this region the sequence 173RQR175 resembles an RXR-motif, which was previously described as an INM-sorting motif. For further analysis amino acid substitution within the RQR-tripeptide was performed, demonstrating that it displays an arginine-based ER sorting signal, which mediates the enrichment of the protein in the endoplasmatic reticulum (ER) and the associated nuclear envelope. In addition to the C terminus also the N terminus of PrV pUL34 was analyzed for possible functional domains. Previous studies on PrV pUL34 demonstrated that the first N-terminal 161 amino acids mediate the interaction with pUL31. This interaction domain could now further be delineated to amino acids 5-161. This part of the protein is highly conserved among the pUL34 homologs and comparable studies in other herpesviruses could also demonstrate that it mediates NEC formation. To further determine important amino acids and/or motifs within this interaction domain in PrV pUL34 several conserved amino acids were substituted by alanines and the resulting effects on NEC-formation and protein function were analyzed. Thereby two conserved motifs were identified, which function as an important platform for pUL31-interaction. One of these motifs is composed of a glutamic acid (E) and a tyrosine (Y) (EY-motif), which could be shown to be essential for the formation of a functional NEC also in other herpesviruses. The second motif comprises a tripeptide of asparagine (N), threonine (T) and glycine (G) (NTG-motif), where N and G are important for NEC function. Furthermore, a conserved asparagine at position 103 was identified, which is not required for NEC-formation but essential for nuclear egress. In the present work pUL31 was also analyzed in order to identify functional domains. As other pUL31 homologs PrV pUL31 contains a predicted classical nuclear localization signal (NLS) in the N terminus. In this study the functionality of this putative transport signal was verified. Furthermore, the present analysis identified also a leucine-rich nuclear export signal (NES) in the conserved C terminus of pUL31, which plays an important role during primary envelopment of nucleocapsids at the INM during nuclear egress. Truncation of pUL31 from the C and/or N terminus inhibited formation of a functional NEC also leading to the abrogation of nuclear egress. Considering previous work on PrV pUL31 it can be speculated that the deleted N-terminal region comprises residues involved in NEC or pUL31-oligomerization, while the C terminus might be required for NEC formation with pUL34. However, further experiments are needed to verify this assumption. In summary, the mutational analyses of possible functional domains in both NEC components in this work helps to further understand the molecular basis of herpesviral nuclear egress. Since no crystal structure of the NEC has been unraveled yet, mutational analysis is an important tool to identify functional domains. In the future these results could, in combination with a crystal structure, complete the understanding of the function of this complex.

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Metadaten
Author: Lars Simon Paßvogel
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002295-3
Title Additional (English):Analysis of functional domains in the nuclear egress complex proteins pUL31 and pUL34 of Pseudorabies Virus
Advisor:Prof. Dr. Dr. h.c. Thomas C. Mettenleiter
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2015/08/05
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/07/15
Release Date:2015/08/05
Tag:Kernfreisetzungskomplex, pUL31, pUL34
Nuclear Egress, Nuclear Egress Complex
GND Keyword:Herpesvirus, Pseudorabies Virus
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Abteilung für Mikrobiologie und Molekularbiologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie