Вирус гриппа А - оболочечный РНК-содержащий вирус, который становится причиной как сезонных эпидемий, так и глобальных пандемий гриппа. Заражение им клеток происходит путем эндоцитоза с последующим слиянием мембран вируса и хозяина, индуцируемом понижением рН эндосомы. Матриксный белок М1 образует сплошной спиральный каркас под липидной оболочкой вируса, связываясь с ней посредством N-концевого домена, в то время как С-концевой домен образует комплекс с вирусной РНК. М1 выполняет некоторые важные функции на различных стадиях жизненного цикла, однако его роль в процессе слияния вирусной и эндосомальной мембран остается предметом споров. Методом эксперимента in vitro недавно было показано, что М1 активно участвует в перестройке вирусной мембраны и следующим за ней высвобождении генома. Тем не менее, детали процессов реорганизации белкового скэффолда и индукции деформирования мембраны остаются неизвестными. Целью настоящей работы стало изучение конформационной динамики комплексов ди- и олигомеров N-доменов М1 с мембраной при изменении рН с 7.7 до 4.0.

Для моделирования описанных выше систем мы использовали подходы молекулярной динамики в крупнозернистом и полноатомном силовых полях. Закисление среды имитировалось протонированием титруемых аминокислот (в первую очередь остатка His-110). Мы также оценили свободную энергию, запасаемую в структуре скэффолда при изменении рН, для чего применили метод термодинамического интегрирования.

По результатам исследования было показано, что стабильность белкового скэффолда модулируется его взаимодействием с мембраной, так как в ее отсутствие время жизни димеров М1 составляет не более 500 нс. Длинные симуляции олигомеров, сложенных в бесконечную периодическую структуру, имитирующую ленту спирали каркаса, показали, что при понижении рН в течение нескольких десятков микросекунд происходит частичное погружение спиралей М1 в мембрану и изменение взаимной ориентации мономеров, которая теперь больше напоминает таковую в кристаллической структуре димера М1 при рН 4.0. Также на примере димера мы показали, что закисление среды приводит к накоплению в системе излишка свободной энергии порядка 9,7 kT на моль белка. Модуль изгиба мембраны имеет порядок 20 kT, из чего следует, что кумулятивного потенциала скэффолда достаточно для того, чтобы индуцировать перестройку вирусной оболочки.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ #20-54-14006

Influenza A virus is an enveloped RNA virus, which could cause seasonal epidemics and global pandemics. Cell infection is mediated by endocytosis and subsequent fusion of host and viral membranes induced by pH decrease. The matrix protein M1 forms a continuous helical scaffold beneath the lipid envelope of the virus, binding to it with N-terminal domain, while C-terminal domain forms complex with viral RNA. M1 performs several important functions at various stages of the life cycle, but its role in the process of viral and endosomal membranes fusion remains a matter of controversy. In vitro experiments have recently shown that M1 is actively involved in viral membrane rearrangements and subsequent release of the genome. However, the details of the processes of protein scaffold reorganization and membrane deformation induction remain unclear. The aim of this work was to study the conformational dynamics of M1 N-domains di- and oligomers complexed the membrane upon pH changed from 7.7 to 4.0.

To model systems described above, we used the approaches of coarse-grained and all-atom molecular dynamics simulations. Environmental acidification was imitated by protonation of titratable amino acids (primarily His-110). We also estimated the free energy stored in the scaffold structure upon pH changed, for which we applied the thermodynamic integration method.

We showed that stability of the protein scaffold is modulated by interaction with membrane, since in its absence the lifetime of M1 dimers is no more than 500 ns. Long-time simulations of oligomers folded into an infinite periodic structure that imitates a scaffold ribbon have shown that, as pH decreases, M1 helices are partially immersed in the membrane. Additionally, mutual orientation of the monomers changes and now resembles that in the crystal structure of M1 dimer at pH 4.0. Using the dimer as an object, we also showed that pH decrease leads to the accumulation of an excess free energy around 9.7 kT (per mole of protein) in the system. The membrane bending modulus is around 20 kT, which means that the cumulative potential of the scaffold is sufficient to induce rearrangement of the viral envelope.

This work was funded by RFBR grant #20-54-14006