How to disassemble a virus capsid: a computacional approach

Tese de mestrado, Bioquímica (Bioquímica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências 2016Viruses are one of the main subjects of study in science due to the amount of diseases and deaths they cause, not only in humans, but also in other organisms, such as plants, other mammals, insects and microorganisms. This raises the need to understand the mechanisms of host infection. Capsids surround the genetic information of viruses and many experimental and theoretical studies have been done to study the icosahedral virus capsid assembly, but very few have focused on the disassembly process. These rare studies point to the loss of a triangle-shaped trimer as the first step of disassembly, or to the loss of a pentagon-shaped pentadecamer (15-mer). Also, no study was found that approached the problem of disassembling virus through a 60-subunit model using combinatorial geometry and symmetry groups. In this work, we tried to predict the sequence of subunit loss from the virus capsids using a combinatorial and geometric approach, taking into account the equivalence of subunit configuration and using cyclical permutations of the Deltoidal Hexecontahedron symmetry group, applied on a binary vector. The aim of this study was to assess whether there was a similar process of capsid disassembly throughout different viruses’ families and, if not, try to find a pattern of disassembly characteristic of a given family. Using T = 1 viruses’ capsids, we analysed 51 known structures that were subdivided into 14 groups and predicted the sequence of the loss of up to 5 subunits. The energy of the different capsid configurations was estimated by three different heuristics, all based only on the number of weak inter-subunit contacts. Our results show a prevalence on the lost of a triangle-shaped trimer of subunits in several of the groups identified, mainly those comprising Parvoviruses, Circoviruses, Birnaviruses and Hepatitis E Viruses. Densoviruses (a parvovirus) also, in general, loose a square-shaped tetramer while Human Adenoviruses Pt-Dd loose a pentagon-shaped pentamer. All these viruses, except for Human Adenoviruses Pt-Dd, loose a right-trapezium or a scalene-trapezium-shaped pentamer, built by the lost of a triangular trimer and two adjacent subunits. This work shows that there is a main disassembly pathway, through the removal of a triangle trimer, although it can not be generalized to all icosahedral viruses. These predictions have a very low dependency on the heuristical measure of total energy used. This triangular trimer might be an interesting target for novel antiviral drugs, by interfering with the capsid disassembly.Os vírus são um dos mais importantes objectos de estudo em ciência devido ao elevado número de doenças e mortes que os mesmos causam, não só em humanos, mas também noutros organismos, tais como plantas, outros mamíferos, insectos ou mesmo microrganismos. Vírus como o da gripe causam por ano entre 250 a 500 milhões de mortes todos os anos. Por outro lado, o Vírus da Imunodeficiência Humana afecta certa de 0.8% da população mundial, com idades compreendidas entre os 15 e 49 anos, causando por ano 1.1 milhões de mortes. A constante presença de vírus no nosso dia-a-dia leva-nos a investigar sobre como combatê-los, bem como a estudarmos os seus modos de infecção dos hospedeiros. Os vírus são estruturas nucleoproteícas, compostas por material genético e proteínas envolventes, constituindo a cápside. Alguns vírus apresentam uma bicamada lipídica com proteínas e/ou glicoproteínas de hospedeiros anteriores, de modo a facilitar a interacção e ligação à superfície das células dos novos hospedeiros, bem como a sua infecção. As cápsides podem apresentar diferentes organizações espaciais das suas proteínas, podendo ser organizadas de forma helicoidal, redonda ou complexa. A forma de organizar a cápside de um modo redondo está associado a uma simetria icosaédrica, sendo as subunidades proteicas dispostas ao longo das faces triangulares do icosaedro. É de notar que as cápsides icosaédricas mais simples, onde não há triangulação das faces do icosaedro (T =1) são compostas por 60 subunidades, havendo três proteínas por cada uma das 20 faces do icosaedro. Para entender a infecção dos hospedeiros, é importante saber como a cápside se desmonta, permitindo o acesso do material genético à maquinaria celular. Alguns estudos experimentais e teóricos foram realizados com o intuito de observar ou prever o modo como as cápsides se montam, mas poucos estudos existem sobre o processo opostos, o de desmontagem. Um dos estudos mais recentes indica que o primeiro passo para a desmontagem decorre pela remoção de um trímero disposto numa conformação triangular ou pela remoção de um pentadecamero (15 subunidades) com 5 triângulos dispostos de modo pentagonal, cada triângulo com um trímero. Em trabalhos anteriores, são usados modelos em que o número de subunidades é reduzido para aumentar a capacidade de computação das possíveis combinações, modelos esses baseados na geometria do icosaedro ou do dodecaedro. Para além disso, nenhum estudo encontrado trata a desmontagem da cápside viral com modelos de 60 subunidades, nem com bases matemáticas como a geometria, combinatória e simetria. Neste trabalho, abordou-se a remoção de subunidades de uma cápside viral de uma perspectiva combinatória, tendo em conta a geometria e a simetria virais, fazendo uso, como poliedro de referência, o Hexecontaedro Deltoidal. Para tal, construiu-se um grupo de simetria para cápsides virais T =1, de modo a reduzir o peso combinatorial, comparando se duas estruturas eram equivalentes, recorrendo à simetria. De modo a confirmar se o número de combinações estava correcto, usou-se o Lema de Contagem de Burnside. Este estudo teve como objectivo estabelecer se existia um processo de desmontagem de cápsides comum em diferentes famílias de vírus e, caso assim não fosse, encontrar um processo de desmontagem característico de cada família de vírus. De um modo computacional, previu-se a sequência de remoção de subunidades em diferentes cápsides virais. Restringindo o estudo a cápsides virais T = 1, foram analisadas 51 estruturas, subdivididas em 14 grupos, sendo, posteriormente e iterativamente, removidas até 5 subunidades das suas cápsides. Para cada estrutura possível, foi analisada se existiam configurações equivalentes (e redundantes), utilizando o grupo de simetria. Para cada combinação possível, foram aplicadas as diferentes operações de simetria, representada como uma permutação cíclica de um vector binário (ausente ou presente), onde foram ignoradas combinações que gerassem redundância. Para além disto, o uso da representação das subunidades como forma de um grafo das faces do Hexecontaedro Deltoidal foi essencial para o estudo da formação de subgrafos desconectados do grafo principal, sendo removidos os subgrafos de menor dimensão. Outro foco do trabalho foi a comparação de diferentes heurísticas para medir a energia dos diferentes fragmentos de cápside formados no processo de desmontagem. A conjugação de aspectos geométricos e combinatórios visam cobrir um objectivo a longo termo de ser possível prever o percurso de desmontagem de um modo computacional. Para cada estrutura não redundante foi calculada uma energia global da configuração de subunidades, através de uma medida heurística baseada exclusivamente no número de interacções entre subunidades. A cada combinação não redundante, foi criado um nodo num grafo em forma de árvore, em que os vértices unem as transições possíveis entre duas combinações, sendo estes vértices pesados pela variação da energia calculada pela heurística para transitar entre as duas combinações. Assim, foi calculado o trajecto com a menor variação de energia, desde a cápside total até à remoção de N subunidades. Todos os processos anteriormente descritos foram calculados utilizando a linguagem de programação Python versão 2.7, e estruturas das cápsides obtidas do Protein Data Bank. Os resultados apresentados indicam uma prevalência na perda de um trímero de subunidades, com conformação triangular, num grande número dos grupos estudados, tais como os Parvovírus (Vírus Adeno-Associados, Parvovírus Bovino, Humano e Suíno, Protoparvovírus de Roedores, Vírus da Panleucopenia Canina e Felina), Birnavírus das Aves, Vírus da Hepatite E e Circovírus Suíno. Os Densovírus estudados (de Bombyx mori, Galleria mellonella e Penaeus stylirostris), também parvovírus, perdem, principalmente, quatro subunidades da cápside com uma forma quadrada. Em todos os resultados indicados acima, uma estrutura semelhante a um trapézio (rectangular ou escaleno) era removida quando se retiravam cinco proteínas, sendo que estas estruturas são formadas por uma região onde foi removido um trímero triangular. Os Adenovírus Humanos Pt-Dd apresentaram uma tendência distinta dos restantes resultados, não removendo trímeros triangulares, mas sim subunidades ao longo do eixo de simetria rotacional de ordem 5, sendo que a conformação mais estável quando se retiram 5 proteínas é um pentâmero com conformação pentangular. Isto mostra que nem todas as desmontagens da cápside têm que envolver a remoção de trímeros triangulares, como previsto na literatura. Mesmo assim, não se poderá considerar isto um factor exclusivo dos Adenovírus Humanos Pt-Dd, pois a amostra de vírus analisada foi reduzida e, tal como se viu nos resultados anteriores, vários grupos de vírus seguiram a mesma linha de desmontagem. O uso de um modelo baseado em 60 subunidades permitiu o estudo de casos como o dos Adenovírus Humanos Pt-Dd em que não eram removidos triângulos, mas sim pentágonos pentaméricos. As diferentes heurísticas não produziram resultados distintos entre si, sendo quase independentes dos diferentes pesos dados às interacções entre subunidades. A única diferença a apontar encontra-se no uso da heurística dependente exclusivamente do número de contactos (heurística II), apresentando processos de desmontagem das cápsides virais lineares, com baixa variabilidade de alternativas a seguir. Os resultados do grupo dos Vírus Satélite do Mosaico do Tabaco não foram analisados em detalhe, visto que se observou uma divergência bastante grande entre as quatro estruturas que formavam este grupo, em todas as heurísticas. Este trabalho é uma contribuição nova para o estudo do processo de desmontagem de uma cápside viral, pela sua representação como um problema matemático da área da geometria e combinatória, algo ignorado ou não desenvolvido em profundidade pelos estudos encontrados na literatura. A compreensão do modo como podemos interferir nas ligações que asseguram a união entre as proteínas do trímero triangular e a restante cápside será importante para o desenvolvimento de drogas antivirais que consigam aumentar a estabilidade destas interacções, impedindo a desmontagem da cápside, ou diminuir a sua estabilidade, com a consequente desmontagem prematura, ambas diminuindo a taxa de infecção do hospedeiro