Characteristics and Relevance of the Interaction Between Staufen-1 and Rev- related Retroviral Proteins

Abstract

Staufen-1 is a cellular protein involved in subcellular RNA transport and the translation and packaging of retroviral RNA into viral particles. In this study, several aspects of the impact of Staufen-1 on SIVmac, HIV-1 and HERV-K(HML-2) particle production were investigated. The results obtained show that, similar to the situation with HIV-1 and HERV-K(HML-2), overexpression of Staufen-1 also enhances SIVmac particle production. However, the 3-4-fold increase in SIVmac particle production is slightly (2x) lower than that seen with HIV-1 and significantly lower than the 20-30-fold boost of HERV-K(HML-2) production. This enhancement is not dependent on the general level of expression but appears to be an intrinsic property of the virus. As expected, downregulation of endogenous Staufen-1 expression using Staufen-1 specific shRNAs negatively affected SIVmac particle production. On the other hand, an excessive overexpression of Staufen-1 decreases HIV-1, but not HERV-K(HML-2) or SIVmac particle production, indicating that the optimal levels of cellular Staufen-1 are different for these viruses. Using luciferase reporter viruses, differences between the genera were also found with regard to the effect of Staufen-1 on RNA shuttling and translation. Whereas Staufen-1 overexpression enhances HERV-K(HML-2) production at these stages of replication, the opposite has been observed for the two lentiviruses. The positive net effect of Staufen-1 overexpression on HIV-1 and SIVmac particle production therefore appears to result primarily from improved packaging and assembly while, for HERV-K(HML-2), RNA transport and translation are also enhanced. Furthermore, similar to the situation with HIV-1 Rev, Staufen-1 interacts directly with SIVmac Rev, with the Staufen-1 RBD3 domain being involved in this binding. HERV-K(HML-2) Rec has a significant impact on the Staufen-1 mediated enhancement of particle production. Nevertheless, the fact that this impact is not completely abrogated by the lack of Rec indicates the existence of an additional, Rec-independent mechanism of HERV-K(HML-2) enhancement by Staufen-1. In addition, overexpression of Rec promotes HERV-K(HML-2) production. Finally, the study confirms previous reports that show a strong boost in particle production by Staufen-1 overexpression and the functional substitution of Rec by HIV-1 Rev, SIVmac Rev and HTLV Rex proteins. In contrast Np9, the protein produced by type I HERV-K(HML-2), cannot functionally substitute Rec.

Staufen-1 ist ein zelluläres RNA-bindendes Protein, das in den subzellulären RNA-transport, die Translation sowie in Verpackungsprozesse der viralen RNA von Retroviren involviert ist. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von Staufen-1 bei der Replikation von SIVmac, HIV-1 und HERV-K(HML-2) untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass Staufen-1, neben HIV-1 und HERV-K(HML-2), auch die Partikelproduktion von SIVmac erhöht. Die Steigerung um den Faktor 3-4 ist hier jedoch geringer als bei HIV-1 (Faktor 6). Sie fällt ebenfalls deutlich schwächer aus im Vergleich mit HERV-K(HML-2), das durch Staufen-1-Überexpression um das 20-30-fache verstärkt wird. Die Steigerung erscheint unabhängig vom Expressionslevel der Viren. Eine Inhibition der endogenen Staufen-1-Expression durch shRNAs vermindert signifikant die SIVmac- Partikelproduktion. Auf der anderen Seite hemmt aber eine zu starke Staufen-1-Überexpression HIV-1, nicht jedoch SIVmac und HERV-K(HML-2). Die optimale Staufen-1-Expression ist somit für die drei Retroviren nicht identisch. Mit Hilfe von Luciferase-Reporterviren wurde explizit der Effekt von Staufen-1 auf den Kern-Plasmatransport und die Translation untersucht. Die erhaltenen Daten belegen, dass im Falle von HERV-K(HML-2) Staufen-1 in diesen Replikationsschritten einen positiven Effekt hat, während bei HIV-1 und SIVmac die Replikation durch Staufen-1 Überexpression gehemmt wird. Der dennoch positive Gesamteffekt (erhöhte HIV-1- und SIVmac-Partikelproduktion) ist somit höchstwahrscheinlich auf die zuvor beschriebene Rolle von Staufen-1 bei der viralen RNA-Verpackung und Partikelbildung zurückzuführen. Ähnlich wie bei HIV-1, bindet Staufen-1 auch bei SIVmac an das Rev-Protein des Virus, wobei die RBD3-Region von Staufen-1 besonders kritisch für die Interaktion ist. Das Rev-Homologe Rec-Protein von HERV-K(HML-2) wird für die sehr starke 20-30-fachen Erhöhung durch Staufen-1 benötigt. Die Tatsache, dass Staufen-1 jedoch auch bei Abwesenheit von Rec zwar eine deutlich geringere, aber signifikante Verstärkung der Partikelproduktion zeigt, deutet auf einen weiteren, Rec-unabhängigen, Staufen-1-Effekt bei HERV-K(HML-2) hin. Mit Hilfe eines Rec-defizienten Molekularklons konnte im Rahmen der Arbeit darüber hinaus gezeigt werden, dass HIV-Rev, SIV-Rev und auch HTLV-Rex das Rec-Protein zumindest teilweise substituieren können. Dies trifft insbesondere für das Rev-Protein von HIV zu. Diese Funktion kann das Np9-Protein, das anstatt Rev von Typ-1 HERV-K(HML-2) produziert wird, nicht übernehmen.