Charakterisierung der Prototyp Foamyvirus Hüllglykoprotein Rezeptorbindungsdomäne

Spumaretroviren, oder Foamyviren (FV), unterscheiden sich von Orthoretroviren durch mehrere Besonderheiten in ihrer Replikationsstrategie. Das Partikel-assoziierte Hüllglykoprotein (Env-Protein) des „Prototype Foamy Virus“ (PFV) ist im Vergleich zu anderen retroviralen Hüllglykoproteinen einzigartig. Die Koexpression des PFV Env-Proteins für die PFV-Partikelfreisetzung ist essenziell und die spezifische Funktion kann nicht von heterologen viralen Env-Proteinen übernommen werden. Das Env-Protein des PFV durchläuft eine für ein Membranglykoprotein ungewöhnliche Biosynthese. Das Env-Vorläuferprotein besitzt zu Beginn eine Typ-III-Membrantopologie, bei der der N- und der C-Terminus im Zytoplasma lokalisiert sind. Während des Transports zur Zelloberfläche wird es posttranslational durch bisher unbekannte zelluläre Proteasen in mindestens drei Untereinheiten gespalten. Das N-terminale Signalpeptid bzw. Leader-Peptid (LP) hat eine Typ-II-Membrantopologie, mit dem N-Terminus im Zytoplasma und dem C-Terminus im Lumen, wohingegen die Transmembran (TM)-Untereinheit eine Typ-IMembrantopologie besitzt, bei der der N-Terminus im Lumen und der C-Terminus im Zytoplasma lokalisiert sind. Die interne Oberflächen (SU)-Untereinheit assoziiert vermutlich im Lumen mit der extrazellulären Domäne der TM-Untereinheit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Beweis erbracht, dass Furin oder Furin-ähnliche Proteasen und nicht der Signalpeptidase-Komplex für beide proteolytischen Spaltungen verantwortlich sind. Durch die N-terminale Sequenzierung der SU- und der TM-Untereinheit eines aufgereinigten PFV Env-Immunoadhäsionsproteins wurden N-terminal von beiden Spaltstellen Furin- Konsensussequenzen identifiziert. Mutationsanalysen von zwei sich in diesem Bereich überlappenden minimalen Furin-Konsensussequenzen an der PFV LP/SU-Spaltstelle im wildtypischen PFV Env-Protein bestätigten die Ergebnisse der N-terminalen Sequenzierung und bewiesen, dass nur die erste Spaltstelle genutzt wird. Obwohl diese Mutanten aufgrund geringerer Partikelfreisetzung einen signifikanten Verlust der Infektiosität zeigten, wurde keine Korrelation zur Inhibierung der Spaltung beobachtet, da andere Mutanten mit normaler LP/SU-Spaltung einen ähnlichen Defekt besaßen. Virale Env-Proteine initiieren den Eintritt membranumhüllter Viren in die Wirtszelle durch die Bindung an zelluläre Rezeptoren. Dabei führen Konformationsänderungen in den Env- Proteinen zum Verschmelzen der Virusmembran mit der Zellmembran und weiterhin zur Aufnahme des Kapsids in das Zytoplasma der Wirtszelle. Die foamyviralen Env-Proteine sind in dieser Hinsicht keine Ausnahme und vermitteln die Anheftung an die Wirtszelle durch die Bindung an den bisher unbekannten zellulären Rezeptor. Der zelluläre foamyvirale Rezeptor ist vermutlich ein ubiquitäres Molekül, denn bisher konnte keine Zelllinie identifiziert werden, die gegen FV-Infektionen resistent ist. Bislang existieren nur sehr wenig strukturelle und funktionelle Informationen der extrazellulären Domänen des PFV Env-Proteins. Deshalb wurde im Hauptteil dieser Arbeit die PFV Env-Rezeptorbindungsdomäne (RBD) charakterisiert. Hierfür wurden rekombinante PFV Env-Immunoadhäsionsproteine verwendet und deren Bindungskapazitäten an Zielzellen in der durchflusszytometrischen Analyse bestimmt. Untersuchungen zeigten, dass sowohl die extrazelluläre Domäne der C-terminalen TM-Untereinheit als auch der Transport der Immunoadhäsionsproteine durch das spezifische PFV Env LP zum sekretorischen Weg für die Bindung an Zielzellen entbehrlich sind und ließen vermuten, dass die PFV Env-RBD innerhalb der SU-Untereinheit lokalisiert ist. N- und C-terminale Deletionsanalysen der PFV Env SU-Untereinheit enthüllten eine minimale kontinuierliche RBD von AS 225 bis 555. Interne Deletionen im PFV Env-Protein von AS 397 bis 483 wurden im Gegensatz zu deletierten Regionen von AS 262 bis 300 und AS 342 bis 396 ohne signifikanten Einfluss auf die Wirtszellbindung in Immunoadhäsionsproteinen toleriert. Die Analyse der Immunoadhäsionsproteine mit einzelnen substituierten Cysteinen in der PFV Env SU-Untereinheit zeigten, dass nur die Immunoadhäsionsproteine, die in der nicht essenziellen Region von AS 397 bis 483 lokalisierte Cysteine ersetzt hatten, eine Restbindungskapazität behielten. Interessanterweise zeigte die Analyse von verschiedenen N-Glykosylierungsmutanten eine bedeutende Rolle der Kohlenhydratkette an Position N391 im PFV Env-Protein entweder hinsichtlich der direkten Interaktion mit dem zellulären Rezeptor oder für die korrekte Faltung der PFV Env-RBD. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein diskontinuierliches Sequenzmotiv von AS 225 bis 396 und AS 484 bis 555 für die Bildung der PFV Env-RBD essenziell ist und die darin lokalisierte potenzielle achte N-Glykosylierungsstelle eine entscheidende Rolle bei der Wirtszellbindung spielt.Spumaretroviruses or foamy viruses (FVs) use a replication pathway with features distinctive from orthoretroviruses. The particle-associated envelope (Env) glycoprotein of prototype foamy virus (PFV) is unique compared to other retroviral envelope proteins since its coexpression is strictly required for the FV particle release process and its function cannot be replaced by heterologous viral glycoproteins. The PFV Env glycoprotein shows a highly unusual biosynthesis. Its precursor protein has a type III membrane topology with both the N-and C-terminus located in the cytoplasm. During its transport to the cell surface, it is posttranslationally processed by yet-unidentified cellular proteases into at least three subunits. The N-terminal signal or leader peptide (LP) has a type II membrane topology, whereas the C-terminal transmembrane (TM) subunit has a type I membrane topology. The internal surface (SU) subunit presumably associates with extracellular domains of TM on the luminal side. Here we provide strong evidence that furin itself or furin-like proteases and not the signal peptidase complex are responsible for both processing events. N-terminal protein sequencing of the SU and TM subunits of purified PFV Env-immunoglobulin immunoadhesin identified furin consensus sequences upstream of both cleavage sites. Mutagenesis analysis of two overlapping minimal furin consensus sequences at the PFV LP/SU cleavage site in the wild-type protein confirmed the sequencing data and demonstrated utilization of only the first site. Although these mutants displayed a significant loss in infectivity as a result of reduced particle release, no correlation to processing inhibition was observed, since another mutant having normal LP/SU processing had a similar defect. Viral Env proteins initiate entry of membrane enveloped viruses into cells by binding to cell surface receptors followed by conformational changes leading to membrane fusion and delivery of the genome containing viral capsid to the cytoplasm. The Env glycoproteins of FVs are no exception and mediate attachment to host cells through binding to an yet unknown ubiquitous cellular receptor molecule because no cell type is currently known that is resistant to FV entry. Little structural and functional information on the extracellular domains of PFV Env is available. In this study we characterized the PFV Env receptor-binding-domain (RBD) by flow-cytometric analysis of recombinant PFV Env immunoadhesin binding to target cells. Analysis showed that the extracellular domains of the C-terminal TM subunit as well as targeting of the recombinant immunoadhesins by the cognate LP to the secretory pathway were dispensable for target cell binding suggesting that the PFV Env RBD is contained within the SU subunit. N- and C- terminal deletion analysis of the SU domain revealed an minimal continuous RBD spanning aa 225-555, however internal deletions covering the region from aa 397-483, but not aa 262-300 or aa 342-396, were tolerated without significant influence on host cell binding. Analysis of individual cysteine point mutants in PFV Env SU revealed that only most of those located in the non-essential region from aa 397-483 retained residual binding activity. Interestingly, analysis of various N-glycosylation site mutants suggests an important role of the carbohydrate chain attached to N391 either for direct interaction with the cellular receptor or for correct folding of the PFV Env RBD. Taken together these results suggest that a bipartite sequence motif spanning aa 225-396 and aa 484-555 is essential for formation of the PFV Env RBD, with N-glycosylation site 8 playing a crucial role for host cell binding