🔧На сайте запланированы технические работы
25.12.2025 в промежутке с 18:00 до 21:00 по Московскому времени (GMT+3) на сайте будут проводиться плановые технические работы. Возможны перебои с доступом к сайту. Приносим извинения за временные неудобства. Благодарим за понимание!
🔧Site maintenance is scheduled.
Scheduled maintenance will be performed on the site from 6:00 PM to 9:00 PM Moscow time (GMT+3) on December 25, 2025. Site access may be interrupted. We apologize for the inconvenience. Thank you for your understanding!

 

X-Domain of nsp-3 Protein of the SARS-CoV-2 Coronavirus Is Capable of Deforming Membranes and Initiating of the Double-Membrane Vesicle Formation Depending on the Cholesterol Content

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Coronaviruses, including the pandemic SARS-CoV-2, encode 16 non-structural proteins that regulate various stages of virus reproduction inside the infected cell but are not part of the virion structure. Some of these proteins are responsible for the formation of viroplasm, which is necessary for the reproduction of the viral genome. A characteristic feature of viroplasm is the formation of double-membrane vesicles, the physicochemical mechanisms of which are still unclear. At the same time, it is known that the non-structural protein 3 (nsp-3) plays an important role in this process. In this work, for the X macrodomain (X-domain) of the nsp-3 protein of SARS-CoV-2, we showed that it is capable of binding only to membranes containing acidic lipids. This domain forms various membrane tubulations, from filamentous to spherical, depending on the cholesterol content. Thus, X-domain of the nsp-3 protein of SARS-CoV-2 can be the initiator of the formation of double-membrane vesicles due to predominantly electrostatic interactions with membranes of cellular organelles.

About the authors

A. A Makhonko

Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

Z. G Denieva

Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

O. V Batishchev

Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences

Email: olegbati@gmail.com
Moscow, Russia

References

  1. Masters P.S. 2006. The molecular biology of coronaviruses. Adv. Virus Res. 66, 193–292. https://doi.org/10.1016/S0065-3527(06)66005-3
  2. Perlman S., Netland J. 2009. Coronaviruses post-SARS: Update on replication and pathogenesis. Nat. Rev. Microbiol. 7 (6), 439–450. https://doi.org/10.1038/nrmicro2147
  3. Reguera J., Mudgal G., Santiago C., Casasnovas J.M. 2014. A structural view of coronavirus-receptor interactions. Virus Res. 194, 3–15. https://doi.org/10.1016/j.virusres.2014.10.005
  4. Neuman B.W., Angelini M.M., Buchmeier M.J. 2014. Does form meet function in the coronavirus replicative organelle? Trends Microbiol. 22 (11), 642–647. https://doi.org/10.1016/j.tim.2014.06.003
  5. Ulasli M., Verheije M.H., De Haan C.A.M., Reggiori F. 2010. Qualitative and quantitative ultrastructural analysis of the membrane rearrangements induced by coronavirus: Coronavirus-induced membrane rearrangements. Cell. Microbiol. 12 (6), 844–861. https://doi.org/10.1111/j.1462-5822.2010.01437.x
  6. Miller S., Krijnse-Locker J. 2008. Modification of intracellular membrane structures for virus replication. Nat. Rev. Microbiol. 6 (5), 363–374. https://doi.org/10.1038/nrmicro1890
  7. Knoops K., Kikkert M., Worm S.H., Zevenhoven-Dobbe J.C., van der Meer Y., Koster A.J., Mommaas A.M., Snijder E.J. 2008. SARS-coronavirus replication is supported by a reticulovesicular network of modified endoplasmic reticulum. PLoS Biology. 6 (9), e226. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0060226
  8. Netherton C.L., Wileman T. 2011. Virus factories, double membrane vesicles and viroplasm generated in animal cells. Curr. Opin. Virol. 1 (5), 381–387. https://doi.org/10.1016/j.coviro.2011.09.008
  9. Hsu N.Y., Ilnytska O., Belov G., Santiana M., Chen Y.H., Takvorian P.M., Pau C., van der Schaar H., Kaushik-Basu N., Balla T., Cameron C.E., Ehrenfeld E., van Kuppeveld F.J., Altan-Bonnet N. 2010. Viral reorganization of the secretory pathway generates distinct organelles for RNA replication. Cell. 141 (5), 799–811. https://doi.org/10.1016/j.cell.2010.03.050
  10. Gosert R., Kanjanahaluethai A., Egger D., Bienz K., Baker S.C. 2002. RNA replication of mouse hepatitis virus takes place at double-membrane vesicles. J. Virol. 76 (8), 3697–3708. https://doi.org/10.1128/JVI.76.8.3697–3708.2002
  11. Belov G.A., Nair V., Hansen B.T., Hoyt F.H., Fischer E.R., Ehrenfeld E. 2012. Complex dynamic development of poliovirus membranous replication complexes. J. Virol. 86 (1), 302–312. https://doi.org/10.1128/JVI.05937–11
  12. Knorr R.L., Dimova R., Lipowsky R. 2012. Curvature of double-membrane organelles generated by changes in membrane size and composition. PLoS ONE. 7 (3), e32753. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0032753
  13. Kondrashov O.V., Akimov S.A. 2022. A mechanism of double-membrane vesicle formation from liquid-ordered/liquid-disordered phase separated spherical membrane. Membranes. 13 (1), 25. https://doi.org/10.3390/membranes13010025
  14. Molotkovsky R.J., Galimzyanov T.R., Batishchev O.V., Akimov S.A. 2019. The effect of transmembrane protein shape on surrounding lipid domain formation by wetting. Biomolecules. 9 (11), 729. https://doi.org/10.3390/biom9110729
  15. Pinigin K.V., Kondrashov O.V., Jiménez-Munguía I., Alexandrova V.V., Batishchev O.V., Galimzyanov T.R., Akimov S.A. 2020. Elastic deformations mediate interaction of the raft boundary with membrane inclusions leading to their effective lateral sorting. Sci. Rep. 10 (1), 4087. https://doi.org/10.1038/s41598-020-61110-2
  16. Roingard P., Eymieux S., Burlaud-Gaillard J., Hourioux C., Patient R., Blanchard E. 2022. The double-membrane vesicle (DMV): A virus-induced organelle dedicated to the replication of SARS-CoV-2 and other positive-sense single-stranded RNA viruses. CMLS. 79 (8), 425. https://doi.org/10.1007/s00018-022-04469-x
  17. Zimmermann L., Zhao X., Makroczyova J., Wachsmuth-Melm M., Prasad V., Hensel Z., Bartenschlager R., Chlanda P. 2023. SARS-CoV-2 nsp3 and nsp4 are minimal constituents of a pore spanning replication organelle. Nat. Commun. 14 (1), 7894. https://doi.org/10.1038/s41467-023-43666-5
  18. Casares D., Escribá P.V., Rosselló C.A. 2019. Membrane lipid composition: Effect on membrane and organelle structure, function and compartmentalization and therapeutic avenues. Int. J. Mol. Sci. 20 (9), 2167. https://doi.org/10.3390/ijms20092167
  19. Yan B., Chu H., Yang D., Sze K.H., Lai P.M., Yuan S., Shuai H., Wang Y., Kao R.Y., Chan J.F., Yuen K.Y. 2019. Characterization of the lipidomic profile of human coronavirus-infected cells: Implications for lipid metabolism remodeling upon coronavirus replication. Viruses. 11 (1), 73. https://doi.org/10.3390/v11010073
  20. Hoffmann H.H., Sánchez-Rivera F.J., Schneider W.M., Luna J.M., Soto-Feliciano Y.M., Ashbrook A.W., Le Pen J., Leal A.A., Ricardo-Lax I., Michailidis E., Hao Y., Stenzel A.F., Peace A., Zuber J., Allis C.D., Lowe S.W., MacDonald M.R., Poirier J.T., Rice C.M. 2021. Functional interrogation of a SARS-CoV-2 host protein interactome identifies unique and shared coronavirus host factors. Cell Host Microbe. 29 (2), 267–280.e5. https://doi.org/10.1016/j.chom.2020.12.009
  21. Denker L., Dixon A.M. 2024. The cell edit: Looking at and beyond non-structural proteins to understand membrane rearrangement in coronaviruses. Arch. Biochem. Biophys. 752, 109856. https://doi.org/10.1016/j.abb.2023.109856
  22. Oudshoorn D., Rijs K., Limpens R.W.A.L., Groen K., Koster A.J., Snijder E.J., Kikkert M., Bárcena M. 2017. Expression and cleavage of middle east respiratory syndrome coronavirus nsp3–4 polyprotein induce the formation of double-membrane vesicles that mimic those associated with coronaviral RNA replication. mBio. 8 (6), e01658–17. https://doi.org/10.1128/mBio.01658-17
  23. Armstrong L.A., Lange S.M., Dee Cesare V., Matthews S.P., Nirujogi R.S., Cole I., Hope A., Cunningham F., Toth R., Mukherjee R., Bojkova D., Gruber F., Gray D., Wyatt P.G., Cinati J., Dikic I., Davies P., Kulathu Y. 2021. Biochemical characterization of protease activity of Nsp3 from SARS-CoV-2 and its inhibition by nanobodies. PLOS ONE. 16 (7), e0253364. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0253364
  24. Qin B., Li Z., Tang K., Wang T., Xie Y., Aumonier S., Wang M., Yuan S., Cui S. 2023. Identification of the SARS-unique domain of SARS-CoV-2 as an antiviral target. Nat. Commun. 14 (1), 3999. https://doi.org/10.1038/s41467-023-39709-6
  25. Акимов С.А., Молотковский Р.Ю., Галимзянов Т.Р., Радаев А.В., Шилова Л.А., Кузьмин П.И., Батищев О.В., Воронина Г.Ф., Чизмаджев Ю.А. 2014. Модель слияния мембран: непрерывный переход в пору слияния с учетом гидрофобных и гидратационных взаимодействий. Биол. мембраны. 31 (1), 14–24. https://doi.org/10.7868/S0233475514010022
  26. Molotkovsky R., Galimzyanov T., Jiménez-Munguía I., Pavlov K., Batishchev O., Akimov, S. 2017. Switching between successful and dead-end intermediates in membrane fusion. Int. J. Mol. Sci. 18 (12), 2598. https://doi.org/10.3390/ijms18122598
  27. Fehr A.R., Channappanavar R., Jankevicius G., Fett C., Zhao J., Athmer J., Meyerholz D.K., Ahel I., Perlman S. 2016. The conserved coronavirus macrodomain promotes virulence and suppresses the innate immune response during severe acute respiratory syndrome coronavirus infection. mBio. 7 (6), e01721-16. https://doi.org/10.1128/mBio.01721-16
  28. Arya R., Kumari S., Pandey B., Mistry H., Bihani S.C., Das A., Prashar V., Gupta G.D., Panicker L., Kumar M. 2021. Structural insights into SARS-CoV-2 proteins. J. Mol. Biol. 433 (2), 166725. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2020.11.024
  29. Saikatendu K.S., Joseph J.S., Subramanian V., Clayton T., Griffith M., Moy K., Velasquez J., Neuman B.W., Buchmeier M.J., Stevens R.C., Kuhn P. 2005. Structural basis of severe acute respiratory syndrome coronavirus ADP-ribose-1"-phosphate dephosphorylation by a conserved domain of nsp3. Structure. 13 (11), 1665–1675. https://doi.org/10.1016/j.str.2005.07.022
  30. Egloff M.P., Malet H., Putics A., Heinonen M., Dutartre H., Frangeul A., Gruez A., Campanacci V., Cambillau C., Ziebuhr J., Ahola T., Canard B. 2006. Structural and functional basis for ADP-ribose and poly(ADP-ribose) binding by viral macro domains. J. Virol. 80 (17), 8493–8502. https://doi.org/10.1128/JVI.00713-06
  31. Putics A., Gorbalenya A.E., Ziebuhr J. 2006. Identification of protease and ADP-ribose 1"-monophosphatase activities associated with transmissible gastroenteritis virus non-structural protein 3. J. Gen. Virol. 87 (3), 651–656. https://doi.org/10.1099/vir.0.81596-0
  32. Neuman B.W. 2016. Bioinformatics and functional analyses of coronavirus nonstructural proteins involved in the formation of replicative organelles. Antiviral Res. 135, 97–107. https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2016.10.005
  33. Piotrowski Y., Hansen G., Boomaans-van Der Zanden A.L., Snijder E.J., Gorbalenya A.E., Hilgenfeld R. 2009. Crystal structures of the X-domains of a Group-1 and a Group-3 coronavirus reveal that ADP-ribose-binding may not be a conserved property. Protein Sci. 18 (1), 6–16. https://doi.org/10.1002/pro.15
  34. Imbert I., Snijder E.J., Dimitrova M., Guillemot J.-C., Lécine P., Canard B. 2008. The SARS-coronavirus PLnc domain of nsp3 as a replication/transcription scaffolding protein. Virus Res. 133 (2), 136–148. https://doi.org/10.1016/j.virusres.2007.11.017
  35. Lei J., Kusov Y., Hilgenfeld R. 2018. Nsp3 of coronaviruses: Structures and functions of a large multidomain protein. Antiviral Res. 149, 58–74. https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2017.11.001
  36. Dimova R., Riske K.A. 2016. Electrodeformation, electroporation, and electrofusion of giant unilamellar vesicles. In: Handbook of Electroporation. Ed. Miklavcic D. Cham: Springer International Publishing, p. 1–18. https://doi.org/10.1007/978-3-319-26779-1_199-1
  37. Volovik M.V., Denieva Z.G., Gifer P.K., Rakitina M.A., Batishchev O.V. 2024. Membrane activity and viroporin assembly for the SARS-CoV-2 E protein are regulated by cholesterol. Biomolecules. 14 (9), 1061. https://doi.org/10.3390/biom14091061
  38. Islam M.Z., Alam J.Md., Tamba Y., Karal M.A.S., Yamazaki M. 2014. The single GUV method for revealing the functions of antimicrobial, pore-forming toxin, and cell-penetrating peptides or proteins. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (30), 15752–15767. https://doi.org/10.1039/C4CP00717D
  39. Shnyrova A.V., Zimmerberg J. 2009. Chapter four – Reconstitution of membrane budding with unilamellar vesicles. Methods Enzymol. 464, 55–75. https://doi.org/10.1016/S0076-6879(09)64004-0
  40. Somberg N.H., Wu W.W., Medeiros-Silva J., Dregni A.J., Jo H., DeGrado W.F., Hong M. 2022. SARS-CoV-2 envelope protein forms clustered pentamers in lipid bilayers. Biochemistry. 61 (21), 2280–2294. https://doi.org/10.1021/acs.biochem.2c00464
  41. Shi Z., Baumgart T. 2015. Membrane tension and peripheral protein density mediate membrane shape transitions. Nat. Commun. 6, 5974. https://doi.org/10.1038/ncomms6974
  42. Loshkareva A.S., Popova M.M., Shilova L.A., Fedorova N.V., Timofeeva T.A., Galimzyanov T.R., Kuzmin P.I., Knyazev D.G., Batishchev O.V. 2023. Influenza A virus M1 protein non-specifically deforms charged lipid membranes and specifically interacts with the raft boundary. Membranes. 13 (1), 76. https://doi.org/10.3390/membranes13010076
  43. Kordyukova L.V., Konarev P.V., Fedorova N.V., Shtykova E.V., Ksenofontov A.L., Loshkarev N.A., Dadinova L.A., Timofeeva T.A., Abramchuk S.S., Moisenko A.V., Baratova L.A., Svergun D.I., Batishchev O.V. 2021. The cytoplasmic tail of influenza A virus hemagglutinin and membrane lipid composition change the mode of M1 protein association with the lipid bilayer. Membranes. 11 (10), 772. https://doi.org/10.3390/membranes11100772
  44. Saletti D., Radzimanowski J., Effantin G., Midtvedt D., Mangenot S., Weissenhorn W., Bassereau P., Bally M. 2017. The Matrix protein M1 from influenza C virus induces tubular membrane invaginations in an in vitro cell membrane model. Sci Rep. 7 (1), 40801. https://doi.org/10.1038/srep40801
  45. Батищев О.В. 2022. Физико-химические механизмы функционирования мембраноактивных белков оболоченных вирусов. Биол. мембраны. 39 (5), 321–336. https://doi.org/10.31857/S0233475522050036
  46. Boroske E., Elwenspoek M., Helfrich W. 1981. Osmotic shrinkage of giant egg-lectinin vesicles. Biophys. J. 34 (1), 95–109. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(81)84839-4
  47. Chakraborty S., Doktorova M., Molugu T.R., Heberle F.A., Scott H.L., Dzikovski B., Nagao M., Stingaciu L.R., Standaert R.F., Barrera F.N., Katsaras J., Khelashvili G., Brown M.F., Ashkar R. 2020. How cholesterol stiffens unsaturated lipid membranes. Proc. Natl. Acad. Sci. 117 (36), 21896–21905. https://doi.org/10.1073/pnas.2004807117
  48. Palacios-Rápalo S.N., De Jesús-González L.A., Cordero-Rivera C.D., Farfan-Morales C.N., Osuna-Ramos J.F., Martinez-Mier G., Reyes-Ruiz J.M. 2021. Cholesterol-rich lipid rafts as platforms for SARS-CoV-2 entry. Front. Immunol. 12, 796855. https://doi.org/10.3389/fimmu.2021.796855

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».