Towards structural studies of Hepadnavirus subviral particles using wheat germ cell-free expression and solid-state NMR
Vers des études structurales de particules sous-virales d'Hepadnavirus par expression acellulaire à partir de germes de blé et RMN du solide
Résumé
Structural studies of eukaryotic membrane proteins are of prime importance but notoriously difficult as they not only necessitate an efficient and practical overexpression system that allows for membrane protein expression in a biologically relevant folding, but also a structural technique that you can easily combine with the chosen protein production system. In vitro cell-free systems, due to their modulable nature, are particularly suited for membrane protein expression. Furthermore, they now established themselves as a viable alternative to conventional cell-based expression, notably because of considerable advances in robustness and efficiency. Amongst them, the wheat germ cell-free production system (WG-CFPS) proved to be the most efficient for production of eukaryotic membrane proteins, and allows for efficient and specific isotope labeling. This makes it particularly convenient for Nuclear Magnetic Resonance (NMR), and more specifically solid-state NMR which is particularly appropriate for membrane protein studies and macromolecular assemblies. Thanks to very recent advances that lead to a drastic reduction of the quantity of protein needed, solid-state NMR is now compatible with WG-CFPS, creating a powerful tool for structural studies of macromolecular assemblies and membrane proteins. In this work, these two techniques are combined for the production and study of the envelope proteins from the duck Hepatitis B Virus (DHBV), that belongs to the Hepadnaviridae family. These viruses are able to secrete active virions, but also particles composed only of envelope proteins, which are called subviral particles (SVPs). In the first part, we show here that the DHBV small envelope protein (DHBs S) is produced as soluble in mg amounts using WG-CFPS. Even more, the protein forms SVPs upon translation, and is thus expressed in a biologically relevant form. After SVPs disassembly, the protein displays a mostly -helical folding, which is characteristic of a well-folded protein, and also very similar to the secondary structure of an assembly-incompetent mutant. After further isolation by ultracentrifugation on a sucrose gradient, the SVPs were sedimented in a 0.7 mm rotor and observed by solid-state NMR. Very promising hNH 2D spectra, with a good signal, were obtained. They display numerous isolated peaks and a resolution alike to other sedimented membrane proteins observed by solid-state NMR. Moreover, superimposition of the DHBs S spectrum with simulated spectra from proteins with extreme secondary structure content confirms that the protein is mostly -helical in the context of the SVPs. Nonetheless, the signal still needs to be improved in order to perform the experiments necessary for in-depth structural analysis. To that end, sample optimization assays were conducted. On the one hand, protein yield improvement, by the use of a commercial wheat germ extract, and SVPs stabilization, by incubation with KSCN, were tried. On the other hand, different methods for SVPs purification were tested, including PEG6000 or ammonium sulfate precipitation, incubation at high temperature, contaminant removal with an ultrafiltration device, affinity or size-exclusion purification as well as tests of particles disassembly, purification followed by SVPs reconstitution in lipids. Finally, amino-acid specific isotopic labeling of DHBs S was evaluated. In the second part, we could show extended possibilities of WG-CFPS through expression of DHBV large envelope protein (DHBs L). In vivo, the protein undergo specific phosphorylation as well as alternative translation, and we could show that it is also the case upon wheat germ cell-free expression. We also tested coexpression of DHBs S, DHBs L and of the DHBV capsid in order to assess the possibility of DHBs L inclusion in SVPs, or even complete virion reconstitution, which could even augment WG-CFPS possibilities. Ultimately, we also detail some critical parameters for SVPs formation in the WG-CFPS
Les études structurales des protéines membranaires eucaryotes sont importantes mais particulièrement difficiles à effectuer car elles nécessitent non seulement un système efficace et pratique pour produire la protéine dans une conformation native, d’une technique d’étude structurale compatible avec ce dernier. Du fait de leur modularité, les systèmes de production acellulaires in vitro sont adaptés à la production de protéines membranaires. De plus, l’amélioration de leur robustesse et de leur efficacité les rendent maintenant comme une alternative viable à l’expression cellulaire. Parmi ceux-ci, le Système d’Expression Acellulaire à partir de Germes de Blé (SEA-GB) est le plus efficace pour produire des protéines membranaires eucaryotes, et permet de plus un marquage isotopique efficace et spécifique. Ce dernier point est très utile pour la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), et plus spécifiquement la RMN du solide qui permet l’étude structure de protéines membranaires et d’assemblages macromoléculaires. Depuis récemment, la RMN du solide est compatible avec le SEA-GB, formant un outil puissant pour l’étude structurale de protéines membranaires et assemblages macromoléculaires. Dans ces travaux, les deux techniques ont été combinées pour la production et l’étude des protéines d’enveloppe du virus de l’Hépatite B du canard (VHBC), appartenant à la famille des Hepadnaviridae. Ces virus sont capables de sécréter des virions actifs, mais aussi des particules composées uniquement de protéines d’enveloppe, appelées particules sous-virales (PSV). Dans un premier temps, nous montrons que plusieurs milligrammes de petite protéine d’enveloppe (DHBs S) du VHBC sont produits sous forme soluble avec le SEA-GB. DHBs S forme des PSV durant la traduction, ce qui confirme la conformation native de la protéine. Après désassemblage des PSV, la protéine est majoritairement en hélice , synonyme d’un bon repliement. Après isolation par ultracentrifugation sur gradient de sucrose, les PSV ont été sédimentées dans un rotor de 0.7 mm et étudiées par RMN du solide. Des spectres 2D hNH très prometteurs ont été obtenus, avec un bon signal, des pics isolés et une résolution similaire à celle d’autres protéines membranaires sédimentées et étudiées par RMN du solide. De plus, la superposition du spectre de DHBs S avec des spectres simulés de protéines modèles possédant des structures secondaires caractéristiques confirme que DHBs S est principalement en hélice dans le contexte des PSV. Le signal doit cependant être amélioré pour pouvoir réaliser les expériences nécessaires à des études structurales approfondies, c’est pourquoi des tests d’optimisation de la production ont été effectués. D’une part, l’amélioration du rendement de production, via l’utilisation d’un extrait de germes de blé commercial, et de la stabilisation des PSV, par incubation avec du KSCN, ont été testés. D’autre part, différentes méthodes de purification ont été examinées: précipitation à l’ammonium sulfate ou au PEG6000, incubation à haute température, élimination de contaminants via une unité d’ultrafiltration, purification d’affinité ou d’exclusion stérique ainsi qu’un test de désassemblage des particules, suivie d’une purification puis de la reconstitution des PSVs en présence de lipides. Enfin, un marquage isotopique spécifique de certains acides aminés a été évalué. Dans la seconde partie, nous avons étendu les possibilités du SEA-GB via l’expression de la grande protéine d’enveloppe (DHBs L) du VHBC. In vivo, la protéine est phosphorylée spécifiquement et subit aussi une traduction alternative ; nous avons montré que c’était aussi le cas dans le SEA-GB. Nous avons aussi testé la coexpression de DHBs S, DHBs L ainsi que de la capside de DHBV pour inclure DHBs L dans les PSV, voire même reconstituer des virions entiers, ce qui augmenterait les possibilités du système. Enfin, nous avons aussi détaillé certains paramètres critiques pour la formation des PSV dans le système
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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