The putative attachment protein G of pneumonia virus of mice (PVM), a member of the Pneumoviruses, is an important virulence factor with so far ambiguous function in a virus-cell as well as in virus-host context. The sequence of the corresponding G gene is characterized by significant heterogeneity between and even within strains, affecting the gene and possibly the protein structure. This accounts in particular for the PVM strain J3666 for which two differing G gene organizations have been described: a polymorphism in nucleotide 65 of the G gene results in the presence of an upstream open reading frame (uORF) that precedes the main ORF in frame (GJ366665A) or extension of the major G ORF for 18 codons (GJ366665U). Therefore, this study was designed to analyse the impact of the sequence variations in the respective G genes of PVM strains J3666 and the reference strain 15 on protein expression, replication and virulence.
First, the controversy regarding the consensus sequence of PVM J3666 was resolved. The analysis of 45 distinct cloned fragments showed that the strain separated into two distinct virus populations defined by the sequence and structure of the G gene. This division was further supported by nucleotide polymorphisms in the neighbouring M and SH genes. Sequential passage of this mixed strain in the cell line standardly used for propagation of virus stocks resulted in selection for the GJ366665A-containing population in one of two experiments pointing towards a moderate replicative advantage. The replacement of the G gene of the recombinant PVM 15 with GJ366665A or GJ366665U, respectively, using a reverse genetic approach indicated that the presence of uORF within the GJ366665A significantly reduced the expression of the main G ORF on translational level while the potential extension of the ORF in GJ366665U increased G protein expression. In comparison, the effect of the G gene-structure on virus replication was inconsistent and dependent on cell line and type. While the presence of uORF correlated with a replication advantage in the standardly used BHK-21 cells and primary murine embryonic fibroblasts, replication in the murine macrophage cell line RAW 264.7 did not. In comparison, the GJ366665U variant was not associated with any effect on replication in cultured cells at all. Nonetheless, in-vivo analysis of the recombinant viruses associated the GJ366665U gene variant, and hence an increased G expression, with higher virulence whereas the GJ366665A gene, and therefore an impaired G expression, conferred an attenuated phenotype to the virus.
To extend the study to other G gene organizations, a recombinant PVM expressing a G protein without the cytoplasmic domain and for comparison a G-deletion mutant, both known to be attenuated in vivo, were studied. Not noticed before, this structure of the G gene was associated with a 75% reduction in G protein expression and a significant attenuation of replication in macrophage-like cells. This attenuation was even more prominent for the virus lacking G. Taking into consideration the higher reduction in G protein levels compared to the GJ366665A variant indicates that a threshold amount of G is required for efficient replication in these cells.
In conclusion, the results gathered indicated that the expression levels of the G protein were modulated by the sequence of the 5’ untranslated region of the gene. At the same time the G protein levels modulated the virulence of PVM. / Das mutmaßliche „attachment“ Protein G des Pneumonievirus der Maus (PVM), einem Mitglied des Genus Pneumovirus, ist ein bedeutender Virulenzfaktor, mit allerdings noch nicht vollständig verstandener Funktion. Dabei zeichnet sich die Sequenz des G-Gens durch Nukleotid-Polymorphismen und damit verbundenen Variationen in der Genorganisation und möglicherweise der Proteinstruktur sowohl zwischen als auch innerhalb von PVM-Stämmen aus. Insbesondere für den PVM-Stamm J3666 wurden zwei verschiedene Organisationen des G-Gens beschrieben: ein Polymorphismus des Nukleotids 65 des G-Genes erzeugt einen neuen „upstream Open reading frame“ (uORF), der dem eigentlichen G-ORF vorausgeht (GJ366665A), oder führt zu einer Verlängerung des eigentlichen G-ORF von G um 18 Kodons (GJ366665U). Ziel dieser Studie war es deshalb, die Auswirkung dieser Sequenzvariabilitäten der für PVM J3666 beschriebenen G-Gene im Vergleich zu dem des Referenzstamms PVM 15 bezüglich Proteinexpression, der Virusreplikation und der Virulenz zu untersuchen.
Als erstes wurden die beschriebenen Sequenzunterschiede bezüglich des PVM-Stamms J3666 untersucht. Die Analyse von 45 verschiedenen klonierten Fragmenten von PVM J3666 zeigte, dass es sich bei diesem Stamm eigentlich um zwei separate Viruspopulationen handelt, die sich durch die Sequenz und Struktur des G-Genes definieren lassen. Diese Unterscheidung wird durch weitere Nukleotid-Polymorphismen in den benachbarten Genen, M und SH, gestärkt. Sequenzielle Passagierung dieses gemischten Stammes in der standardmäßig zur Virusanzucht verwendeten BHK-21-Zelllinie resultierte in einem von zwei Experimenten in der Selektion der GJ366665A-Population, das ein Hinweis auf einen moderaten Replikationsvorteil darstellt. Der Austausch des G-Gens des Referenzstamms PVM 15 durch GJ366665A oder GJ366665U mithilfe der Reversen Genetik, zeigte, dass der uORF innerhalb von GJ366665A zu einer deutlich reduzierten Expression des eigentlichen G-ORF führt. Andererseits führte die potenzielle Verlängerung des ORF in GJ366665U zu einer im gleichen Maße erhöhten Expression des G-Proteins. Dagegen war der Einfluss der G-Genorganisation auf die Virusvermehrung in Zellkultur in Abhängigkeit von Zelllinie und Zelltyp inkonsistent. Während ein uORF mit einem Replikationsvorteil in BHK-21-Zellen und primären murinen embryonen Fibroblasten korrelierte, war dies in der murinen Makrophagen-Zelllinie RAW 264.7 nicht zu beobachten. Im Vergleich dazu konnte die GJ366665U-Variante nicht mit einem Einfluss auf die Virusvermehrung in Verbindung gebracht werden. Nichtsdestotrotz, konnte die GJ366665U-Variante, und damit eine erhöhte Expression von G, mit einer gesteigerten Virulenz assoziiert werden, während die GJ366665A-Variante, d. h. eine verringerte G-Expression zur Attenuierung des Virus führte.
Die Untersuchungen wurden auf weitere G-Genstrukturen, d.h. ein rekombinantes PVM, rPVM-Gt, das ein N-terminal verkürztes G-Protein exprimiert, ausgeweitet. Zum Vergleich wurde eine Deletionsmutante des kompletten G-Gens, rPVM-ΔG, mit einbezogen. Von beiden Viren war bereits bekannt, dass sie in vivo attenuiert sind. Die Organisation des Gt-Gens war mit einer um 75 % verringerten Expression des entsprechenden Proteins assoziiert, was zuvor nicht beobachtet worden war. Zugleich zeigte rPVM-Gt eine deutliche Attenuierung der Replikation in RAW 264.7-Zellen und primären Mausmakrophagen, die von der G-Deletionsmutante noch übertroffen wurde. Die im Vergleich zu der GJ366665A-Variante deutlich höhere Reduktion der G-Expression dieser beiden G-Mutanten in Betracht ziehend, scheint dies darauf hinzuweisen, dass eine bestimmte Mindestexpression von G für eine effiziente Virusvermehrung in diesen Zellen benötigt wird.
Zusammenfassend deuten die erhaltenen Ergebnisse darauf hin, dass die Expression des G-Proteins durch die jeweiligen 5’ nicht-translatierte Region des Gens moduliert wird, was einen neuen Mechanismus für Negativstrang-RNA-Viren darstellt. Zugleich moduliert die Expressionsrate von G die Virulenz von PVM.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:12814 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Adenugba, Akinbami Raphael |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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