Phosphatidylserine Lateral Organization Influences the Interaction of Influenza Virus Matrix Protein 1 with Lipid Membranes

Abstract

Influenza A virus matrix protein 1 (M1) is an essential component involved in the structural stability of the virus and in the budding of new virions from infected cells. A deeper understanding of the molecular basis of virion formation and the budding process is required in order to devise new therapeutic approaches. We performed a detailed investigation of the interaction between M1 and phosphatidylserine (PS) (i.e., its main binding target at the plasma membrane [PM]), as well as the distribution of PS itself, both in model membranes and in living cells. To this end, we used a combination of techniques, including Förster resonance energy transfer (FRET), confocal microscopy imaging, raster image correlation spectroscopy, and number and brightness (N&B) analysis. Our results show that PS can cluster in segregated regions in the plane of the lipid bilayer, both in model bilayers constituted of PS and phosphatidylcholine and in living cells. The viral protein M1 interacts specifically with PS-enriched domains, and such interaction in turn affects its oligomerization process. Furthermore, M1 can stabilize PS domains, as observed in model membranes. For living cells, the presence of PS clusters is suggested by N&B experiments monitoring the clustering of the PS sensor lactadherin. Also, colocalization between M1 and a fluorescent PS probe suggest that, in infected cells, the matrix protein can specifically bind to the regions of PM in which PS is clustered. Taken together, our observations provide novel evidence regarding the role of PS-rich domains in tuning M1-lipid and M1-M1 interactions at the PM of infected cells.IMPORTANCE Influenza virus particles assemble at the plasma membranes (PM) of infected cells. This process is orchestrated by the matrix protein M1, which interacts with membrane lipids while binding to the other proteins and genetic material of the virus. Despite its importance, the initial step in virus assembly (i.e., M1-lipid interaction) is still not well understood. In this work, we show that phosphatidylserine can form lipid domains in physical models of the inner leaflet of the PM. Furthermore, the spatial organization of PS in the plane of the bilayer modulates M1-M1 interactions. Finally, we show that PS domains appear to be present in the PM of living cells and that M1 seems to display a high affinity for them.KEYWORDS influenza, assembly, confocal microscopy, fluorescence image analysis, lipid rafts, matrix protein, model membranes, phosphatidylserine, plasma membrane I nfluenza A virus (IAV) is a major burden to human health and remains a prominent cause of mortality worldwide (1, 2). Despite significant research efforts, detailed knowledge about the molecular mechanisms involved in IAV infection is still limited. A deeper understanding of the virus machinery and its interaction with the host is

The Lipids of Biological Membranes (Literature Review)

“…Это делает слой менее текучим, по сравнению с теми, которые находятся в составе фосфатидилэтаноламина и фос-фатидилсерина внутренней поверхности. Во-вторых, отрицательно заряженный фосфатидилсерин, взаи-модействующий с регуляторными и структурными белками, при нарушении асимметрии приводит к экспонированию фосфатидилсерина на наружной поверхности, что является апоптотическим фактором [33,36], а также к изменению соотношения зарядов на внутренней и внешней сторонах бислоя эритроцита. Асимметрия фосфолипидов вносит свой вклад в под-держание механических свойств мембраны.…”

“…Существование типовой реакции подразумевает наименьший уровень варьирования биологического ответа на воздействие патогенных факторов [4,10,13,20,26,30]. Считают, что непосредственное влияние на клетки тканей и органов различных повреждающих факторов вызывает запуск универсального ответа вследствие действия подобных молекулярных механизмов, к коим относятся, прежде всего, интенсификация ПОЛ, активация эндогенных фосфолипаз и протеаз, уменьшение активности систе-мы антиоксидантной защиты клетки [1,33].…”

“…Это в свою очередь приводит к повреждению мембран и усугубляет дефицит энергии. Вследствие этого с одной стороны происходит уменьшение уров-ня макроэргов, накопление в клетках ионов Ca 2+ , а с другой стороны, понижение уровня АТФ способствует выключению ионных насосов и поступлению ионов кальция из межклеточной среды, а также активации мембраносвязанных фосфолипаз, гидролизу части фосфолипидов, усилению проницаемости мембран [33,34]. Однако независимо от причины усиления ПОЛ изменение скорости окисления имеет тесную взаимосвязь с уменьшением количества биоантиок-сидантов и изменениями в составе фосфолипидов мембран [9,15,26,30].…”

“…Это происходит за счёт как более активной деградации окисленных липидов, так и ускорения реакций переноса липидов переносящи-ми их белками. При всем этом роль фосфолипидов в процессах окисления имеет многофункциональный характер, поскольку они сами являются субстратами окисления, но в то же время могут тормозить окисли-тельные процессы, выступая в качестве антиоксидан-тов и их синергистов [1,16,33].…”

“…В этом случае более уязвимыми считаются мем-браны эритроцитов, поскольку в их составе большое количество легко окисляемых фосфолипидов. В то же время они контактируют с относительно большими концентрациями кислорода [4,33].…”