Dokument: APOBEC3 DNA deaminases: A mechanistic study of A3A, A3C, and A3G action on retroviruses and counteraction by viral proteins
| Titel: | APOBEC3 DNA deaminases: A mechanistic study of A3A, A3C, and A3G action on retroviruses and counteraction by viral proteins | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=44387 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20171211-104648-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | M.Sc Jaguva Vasudevan, Ananda Ayyappan [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Münk, Carsten [Gutachter] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | APOBEC3 enzymes, Cytidine deaminase, Retrovirus, HIV-1, Vif, Virus restriction, MLV, Glycogag, SIV, Foamy Virus, Bet, APOBEC4 | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Die Cytidin-Desaminasen der APOBEC3 (A3) Familie haben eine wichtige Funktion in der intrinsischen angeborenen Abwehr gegen Retroviren, Retroelemente und andere Viren. Diese Enzyme wirken als Restriktionsfaktoren, die eine hydrolytische Deaminierung von dCTP zu dUTP in Einzelstrang DNA (ssDNA) bewirken. Durch diese Deaminierungen entstehen Veränderungen in der Aminosäurekodierung und Stoppcodons im viralen Genom. Das humane Immundefizienzvirus 1 (HIV-1) exprimiert das Vif Protein („viral infectivity factor“). Vif bindet an die A3 Proteine und induziert deren Polyubiquitinierung und damit ihren proteosomalen Abbau. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung der Aktivität von verschiedenen A3s gegen diverse Retroviren und Retroelemente. Der Fokus lag dabei auf der molekularen Interaktion zwischen bestimmten A3 Proteinen und den viralen Gegenproteinen.
Von den sieben humanen A3 Proteinen sind A3F und A3G am besten untersucht. Diese Arbeit beschreibt zum ersten Mal die Relevanz der Mutation S61P in A3C, die die antivirale Aktivität von A3C signifikant beeinflusst. Die Ergebnisse unterstützen ein Modell, wodurch der Einbau von Prolin anstelle von Serin eine Strukturänderung verursacht, die die enzymatische Aktivität von A3C steigert. A3C.S61P zeigte deutlich höhere antivirale Aktivität gegen simianes Immundefizienz Virus mit vif Deletion (SIVΔvif) und murines Leukämievirus (MLV). Im Gegensatz dazu war die Infektiosität von HIV-1Δvif weder durch A3C noch durch A3C.S61P besonders stark reduziert. A3C.S61P war in der Lage die Genome von SIVΔvif und von MLV zu hypermutieren, zeigte aber keine Hypermutationsaktivität gegen HIVΔvif. Diese Daten deuten auf einen noch unbekannten Resistenzmechanismus gegen A3C in HIV-1Δvif. In weiteren Untersuchungen von A3C Orthologen aus anderen Primaten konnte die Cytidindeaminase A3C aus der Rußmangabe (smmA3C) als starker HIV-1 Inhibitor mit Desaminaseaktivität identifiziert werden. A3Csmm war im Gegensatz zu humanem A3C auch resistent gegen das Vif Protein von HIV-1. Insgesamt zeigen die Daten, dass smmA3C nur antiviral wirkt, wenn es katalytisch aktiv ist. Die mechanistischen Ursachen für die verstärkte anti-HIV Aktivität von smmA3C sind noch unklar; Strukturvergleiche mit humanem A3C bieten einen Ansatz den Mechanismus besser zu verstehen. Diese Arbeit hatte auch das Ziel, wegen vieler kontroverser Literaturdaten die anti-MLV Aktivität von A3A zu klären. Die Wirkung von A3A wurde analysiert, wenn A3A in der MLV Produzentenzelle oder wenn es in der Zielzelle exprimiert wurde. Die Ergebnisse belegen, dass A3A aus der Virus produzierenden Zelle in MLV Cores verpackt wurde und die Virusinfektion der nächsten Zelle durch Hypermutation des viralen Genoms hemmte. Das neben dem normalen Gag protein exprimierte glykosylierte Gag Protein (glycogag) von MLV verminderte jedoch die Verpackung des A3A deutlich. Im Gegensatz dazu wurde A3A, das nur in der Virus-Zielzelle exprimiert wurde, nicht durch virales glycogag gehemmt. Zukünftige Forschungsarbeiten sollten den genauen Mechanismus der anti-A3 Aktivität von gylcogag genauer ausarbeiten. Ein weiterer viraler A3 Gegenspieler ist das Foamyvirus Protein Bet. Bet hemmt die Verpackung von A3 Proteinen in Retroviruspartikel durch einen neuen Mechanismus, unabhängig von einer Degradierungs, aber eine Veränderung der zytoplasmatischen Löslichkeit von A3G beinhaltet. Bet bindet an A3G, vermutlich durch eine direkte Interaktion, aber hemmt nicht seine enzymatische Aktivität. In der Zukunft wäre zu untersuchen, wie Bet andere A3 Proteine inhibiert, besonders solche wie A3B, die für Krebs-assoziierte Mutationen verantwortlich gemacht werden. In diesem Zusammenhang wird in der Arbeit auch die Methodik zur Detektion und Analyse von spezifischen A3-Enzymen in Krebszellen beschrieben. In weiteren Experimenten wurde die mögliche Funktion von APOBEC4 (A4) , das entfernt mit den A3-Proteinen verwandt ist, im Kontext der HIV-1-Replikation analysiert A4 zeigte in keinem Testansatz eine enzymatische Desamierungsaktivität an Einzelstrang-DNA und band auch nur schwach an Einzelstrang-DNA. Im Vergleich zu A3-Proteinen erhöhte die Expression von A4 die Virusmenge. Zusammenfassend belegen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Wechselwirkungen von A3-Enzymen mit unterschiedlichen Retroviren komplex und im Detail oft Virus-spezifisch sind. Weitere Arbeiten in diesem Bereich könnten „Grundlage“ für neue therapeutische Ansätze gegen HIV-1 bilden.The APOBEC3 (A3) family of cytidine deaminases plays a vital role for innate defence against retroviruses, retroelements and other viral pathogens. They act as restriction factors that catalyze the hydrolytic deamination of deoxycytidine to deoxyuridine on single-stranded viral DNA (ssDNA), leading to coding changes and premature stop codons that abrogate virus replication. Viral infectivity factor (Vif) of Human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) binds to intracellular A3s and depletes them by inducing polyubiquitination and proteosomal degradation. The key objective of this thesis is to characterize A3 enzyme family activity against diverse retroviruses and retroelements, with a focus on molecular interaction between certain A3s and their viral counterparts. Among the seven human A3s, A3G and A3F are the best-studied. The work in this thesis shows for the first time that a point mutant of A3C, A3C.S61P, enhances enzymatic activity and efficiently inhibits retroviruses, likely by local structural changes induced by the serine-to-proline substitution. A3C.S61P had markedly increased antiviral activity against simian immunodeficiency virus lacking Vif (SIVΔvif) and murine leukemia virus (MLV), but was only marginally active against HIV-1Δvif. A3C.S61P hypermutated the genomes of SIVΔvif and MLV, but not HIVΔvif, suggesting an unknown escape mechanism of HIV-1. Moreover, the investigation of A3C orthologues from various primates revealed that A3C from sooty mangabey (smmA3C) potently restricts HIV-1 in a deamination-dependent manner and resists HIV-1 Vif-mediated degradation. Taken together, these results confirm that the catalytic activity of A3C is important for antiviral function. It also highlights the robust antiviral activity of smmA3C, which is an interesting candidate for structural investigations. Anti-MLV activity of A3A is another focus of this thesis, as findings on A3A-mediated MLV inhibition described in the literature are contradictory. The effect of producer cell and target cell A3A was tested against MLV. Producer cell A3A was encapsidated by MLV into the viral-core, triggered hypermutations in MLV genome and inhibited the virus. However, strikingly MLV-glycosylated Gag (glycogag) counteracted the encapsidation of producer cell A3A whereas, target cell A3A was not affected by glycogag. Future research should elucidate the mechanism of the anti-A3 activity of glycogag. Whereas HIV-1 Vif opposes A3G by triggering its degradation, this thesis demonstrates a novel mechanism whereby prototype foamy virus Bet counteracts A3G by impairing its cytosolic solubility and consequently prevents its virion packaging. Bet binds A3G presumably through a direct interaction, but does not affect its catalytic activity. It would be exciting to explore how Bet acts on other A3s, especially A3A and A3B, as these A3s likely drive cancer mutations. In that respect, a method to detect and characterize the specific A3s expressed in cancer cells is described in this thesis. Finally, this thesis reports the possible function of APOBEC4 (A4), a very distant relative of A3, on HIV-1 replication. A4 did not exhibit detectable cytidine deamination activity in vitro and weakly interacted with single-stranded DNA. In contrast to A3, A4 enhanced the production of HIV-1. Taken together, these findings show that A3 interactions with different retroviruses are complex and often virus-specific. Further studies may help to develop new antiretroviral therapeutics that target viral interaction with cellular A3s. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 11.12.2017 | |||||||
| Dateien geändert am: | 11.12.2017 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 02.06.2017 | |||||||
| Datum der Promotion: | 23.11.2017 |
