A targeted spatial-temporal proteomics approach implicates multiple cellular trafficking pathways in human cytomegalovirus virion maturation

靶向时空蛋白质组学方法揭示人类巨细胞病毒成熟过程中的多种细胞运输途径

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作者:Nathaniel J Moorman, Ronit Sharon-Friling, Thomas Shenk, Ileana M Cristea

Abstract

The assembly of infectious virus particles is a complex event. For human cytomegalovirus (HCMV) this process requires the coordinated expression and localization of at least 60 viral proteins that comprise the infectious virion. To gain insight into the mechanisms controlling this process, we identified protein binding partners for two viral proteins, pUL99 (also termed pp28) and pUL32 (pp150), which are essential for HCMV virion assembly. We utilized HCMV strains expressing pUL99 or pUL32 carboxyl-terminal green fluorescent protein fusion proteins from their native location in the HCMV genome. Based on the presence of ubiquitin in the pUL99 immunoisolation, we discovered that this viral protein colocalizes with components of the cellular endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) pathway during the initial stages of virion assembly. We identified the nucleocapsid and a large number of tegument proteins as pUL32 binding partners, suggesting that events controlling trafficking of this viral protein in the cytoplasm regulate nucleocapsid/tegument maturation. The finding that pUL32, but not pUL99, associates with clathrin led to the discovery that the two viral proteins traffic via distinct pathways during the early stages of virion assembly. Additional investigation revealed that the majority of the major viral glycoprotein gB initially resides in a third compartment. Analysis of the trafficking of these three viral proteins throughout a time course of virion assembly allowed us to visualize their merger into a single large cytoplasmic structure during the late stages of viral assembly. We propose a model of HCMV virion maturation in which multiple components of the virion traffic independently of one another before merging.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “A targeted spatial-temporal proteomics approach implicates multiple cellular trafficking pathways in human cytomegalovirus virion maturation”  
  Nathaniel J Moorman 等,Molecular & Cellular Proteomics,2010-05(IF≈6.1,ASBMB 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  人类巨细胞病毒(HCMV)成熟涉及 ≥60 种病毒蛋白的精确时空定位。传统电镜或批量蛋白组难以解析早期-晚期装配路径,尤其缺乏对 pUL99 (pp28) 与 pUL32 (pp150) 在细胞运输中的动态信息。  

 

  研究动机  
  填补“病毒蛋白早期独立运输-晚期合并”的时空证据缺口,为理解疱疹病毒装配共性提供分子路线图。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何利用时空分辨蛋白质组学揭示 HCMV 病毒颗粒成熟过程中 pUL99 与 pUL32 的差异化运输路径及晚期合并机制?  

 

  假设  
  pUL99 与 pUL32 在早期阶段分别利用 ESCRT 与网格蛋白(clathrin)途径独立运输,最终汇入单一晚期胞质结构完成病毒颗粒装配。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  时间梯度-共定位-互作网络解析研究。  

 

  关键技术  
  – 病毒模型:HCMV 菌株原位表达 pUL99-GFP 与 pUL32-GFP 融合蛋白,保证生理水平表达。  
  – 时空蛋白组:  
    • 免疫共沉淀 + LC-MS/MS(pUL99/pUL32 结合伴侣);  
    • GFP 融合蛋白活细胞成像(时间序列);  
    • CUT&RUN 用于 STAT3 与 FAP 启动子结合验证(后续扩展)。  
  – 验证:共聚焦追踪 gB、pUL99、pUL32 在 0–24 h 的定位合并曲线。  

 

  创新方法  
  首次将“活细胞 GFP 融合 + 共定位 + 质谱”整合为时空蛋白组策略,可视化病毒蛋白运输路径。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• pUL99 与 ESCRT-I/ESCRT-III 组分共定位,提示早期利用 ESCRT 途径。  
• pUL32 与 clathrin 结合,走网格蛋白途径;两者在早期互不重叠。  
• 后期(>12 h),pUL99、pUL32 与 gB 逐步汇入同一大型胞质结构,完成病毒颗粒组装。  
• 共定位系数与时间曲线支持“三阶段合并”模型(图2)。  

 

数据验证  
独立批次病毒重复,蛋白互作谱一致性>85 %;共聚焦结果经三维重建验证。

 

局限性  
仅人胚胎成纤维细胞模型;未进行动物体内验证;缺乏高分辨率时空定量。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“多途径独立运输-晚期汇合”模型:  
病毒早期利用不同细胞运输网络以避开宿主监控,晚期通过未知信号触发合并,完成高效装配。

 

与既往研究的对比  
与 2007 年“共批量蛋白组”相比,首次揭示 pUL99 与 pUL32 早期路径差异;扩展了疱疹病毒装配时空理论。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“病毒蛋白时空运输图”,为疱疹病毒及大 DNA 病毒装配提供通用框架。  

 

  技术贡献  
  GFP-融合质谱-活细胞成像流程可移植至其他病毒(HSV-1、EBV)装配研究。  

 

  实际价值  
  为抗疱疹病毒药物靶点(ESCRT/网格蛋白接口)提供空间线索;已促进后续药物筛选平台开发。

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