Study of the interaction of the matrix protein of the newcastle disease virus with lipid bilayers: implications for the mechanism of viral budding

Abstract

La regulación dinámica de la forma de la membrana celular mediante interacciones proteolipídicas es importante para procesos intra- e inter-celulares. Se sabe que la gemación de muchos virus con envoltura se basa en la acción excusiva de una única proteína: la proteína matriz ó M. En el presente trabajo la gemación viral ha sido reconstituida usando la proteína M del virus de la enfermedad de Newcastle (NDV) y diferentes sistemas lipídicos modelo (membranas planas, vesículas unilamelares gigantes y grandes, y monocapas lipídicas). Así, la gemación por parte de la proteína M de NDV ha sido caracterizada mediante diferentes técnicas experimentales, tales como medidas de admitancia eléctrica, microscopía de fluorescencia, técnicas espectroscópicas, microscopía electrónica y medidas de presión superficial. Los datos experimentales obtenidos señalan que la interacción de la proteína matriz del NDV con los sistemas lipídicos modelo lleva a la gemación de membrana y producción de vesículas cuya distribución de tamaños es similar a la del NDV. De ésta forma, la proteína matriz del NDV es capaz de inducir la gemación de la membrana lipídica en ausencia de otros componentes de la maquinaria celular o viral. La adsorción y gemación por parte de la proteína matriz del NDV depende de la composición lipídica de la membrana, viendose ámbas favorecidas por la presencia de moleculas como el colesterol. Además, se observa que la proteína M del NDV organiza dominios fuidos sobre la membrana lipídica antes de que ocurra la gemación de la membrana. La unidireccionalidad de la gemación producida por la proteína M indica que el autoensamblaje de la proteína sobre la superficie de la membrana lipídica induce una curvatura negativa en la membrana. La formación de dominios proteolipídicos líquidos sobre la superfície de la membrana se propone como el mecanismo para la gemación de membrana celular por parte de la proteína M del NDV.

Dynamic regulation of membrane shape by lipid-protein interactions is imperative for many intra and intercellular processes. Matrix proteins of many enveloped viruses have been suggested as the main responsible of the shape transformation of the cellular membrane into the viral vesicle. In order to investigate the molecular mechanism behind the matrix protein driven budding this process has been reconstituted with M protein purified from the NDV and different model lipid systems (planar lipid membranes, large and giant unilamellar vesicles and lipid monolayer). M protein budding activity has been characterized by different experimental approaches, including electric admittance measurements, fluorescence microscopy, spectroscopic approaches, electron microscopy and surface pressure measurements. The experimental data had shown that the interaction of the matrix protein from NDV with model lipid system results in membrane budding and production of membrane vesicles with a size distribution similar to that of the NDV. Thus, NDV matrix protein does not need the presence of any cellular component in order to activate its budding activity. NDV matrix protein binding and budding activities were dependent on the membrane lipid composition, being enhanced in the presence of molecules such as cholesterol in the membrane. Moreover, it was observed that the M protein of NDV organizes fluid-like domains on the lipid membrane prior to the membrane budding. The unidirectionality of budding produced by M protein indicated that the self-assembly of the protein on the membrane surface induced creation of a negative curvature. Fluid-like proteolipid domain creation had been proposed as the mechanism behind the cellular membrane budding induced by the matrix protein of the Newcastle Disease Virus.