Untersuchungen zur Rolle der Importin-α Proteine bei der Replikation von Influenza A Viren im Respirationstrakt des Säugers

Abstract

Aviäre Influenzaviren besitzen ein hohes zoonotisches Potenzial. Hierbei können besonders hochpathogene aviäre Influenza A Viren (HPAIV) der H5N1 und H7N7 Subtypen Interspeziesbarrieren durchbrechen und direkt vom Tier auf den Menschen übergehen. Dort lösen HPAIV Infektionen eine hohe Pathogenität und Letalität aus. Da die menschliche Bevölkerung keine Immunität gegenüber diesen HPAIV besitzt, besteht v.a. bei einer weiteren Anpassung dieser Viren an den Menschen die Gefahr der Entstehung eines neuen pandemischen Influenzavirus mit potenziell verheerenden Auswirkungen. Deshalb ist es besonders wichtig zu verstehen, wie aviäre Influenzaviren Wirtsbarrieren überwinden und somit vom Tier auf den Menschen übergehen. Als erste Barriere bei der Adaptation an den Menschen müssen aviäre Influenzaviren die Zellmembran der neuen Wirtszelle überwinden. Dies wird durch Adaptation des viralen Hämagglutinins an die auf der Zellmembran präsentierten humanen Rezeptoren ermöglicht. Eine weitere wichtige Barriere, welche das Virus überwinden muss, ist die Kernmembran der humanen Zelle. Da Influenzaviren ihr Genom im Zellkern transkribieren und replizieren, müssen ihre viralen Ribonukleoproteinkomplexe durch die zelluläre Kernimportmaschinerie, insbesondere durch die humanen Importin-α Adaptorproteine, erkannt und in den Zellkern transportiert werden. Bei der Adaptation von HPAIV an den Säuger findet daher ein Wechsel (Switch) in der Importin-α Nutzung statt. Die Replikation von HPAIV ist von der humanen Importin-α3 Isoform abhängig, die zugleich als Inhibitor der aviären Polymeraseaktivität fungiert. Im Gegensatz dazu ist die Replikation von humanen Influenzaviren von der Importin-α7 Isoform abhängig, die zudem als Aktivator der humanen Polymeraseaktivität dient. Somit scheint im Laufe der Adaptation an den Säuger die Nutzung bestimmter Importin α Isoformen erlangt worden zu sein, wodurch Influenzaviren eine hohe Replikationseffizienz im Säuger gewährleistet wird. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin zu klären, wodurch es in der Säugerlunge zu diesem Switch kommt. Für die hierzu nötigen Studien wurde das H7N7 SC35/SC35M-Adaptationsmodell verwendet. Hier konnte gezeigt werden, dass die Importin-α Isoformen in der Säugerlunge eine differenzielle Expression aufweisen. In der murinen sowie in der humanen Lunge ist Importin-α3 die am höchsten exprimierte Isoform, gefolgt von Importin-α7. Die Infektion mit den H7N7 Viren verschiedener Wirtsspezifitäten hat eine differenzielle Genregulierung der Importin-α3 Isoform zur Folge: Die Infektion mit dem HPAIV SC35 führt zu einer Importin-α3 Hochregulierung, die mit einer auf die Lunge beschränkten Infektion korreliert. Im Gegensatz dazu resultiert die Infektion mit SC35M in einer selektiven Herabregulierung der Importin-α3 Isoform, die mit einer systemischen Virusausbreitung und einer hohen Pathogenität korreliert. Im Importin-α3 / Mausmodell verursacht die Deletion des Importin α3 Gens eine erhöhte Virusreplikation und Pathogenität und geht v.a. nach Infektion mit dem säugeradaptierten Influenzavirus zusätzlich mit einer erhöhten Virulenz einher. HPAIVs haben bei der Säugeradaptation demnach zwei Mechanismen entwickelt, um dem durch die Importin α Isoformen hervorgerufenen Selektionsdruck in der Lunge zu begegnen: (1) Durch die aktive Herabregulierung der Importin α3 Isoform wird dessen inhibitorische Aktivität auf die Virusreplikation umgangen. (2) Die Adaptation an die proliferative Aktivität der Importin-α7 Isoform gewährleistet eine effiziente und hohe Virusreplikation. Somit scheinen aviäre Influenzaviren bei der Adaptation an den Säuger spezifische Mechanismen erworben zu haben, um eine effiziente Virusreplikation im Respirationstrakt zu etablieren. Hierbei wird dem Restriktionsfaktor der Lunge (Importin α3) durch dessen aktive Herabregulierung entgangen und es folgt die optimale Anpassung an den Proliferationsfaktor der Lunge (Importin α7). Unsere Daten lassen nun vermuten, dass die differenzielle Expression der Importin-α Isoformen im Respirationstrakt des Säugers einen weiteren Selektionsdruck darstellt, der die Evolution der Influenzaviren antreibt.

Avian influenza viruses are known for their high zoonotic potential. Especially highly pathogenic avian influenza A viruses (HPAIV) of the H5N1 and H7N7 subtypes are able to cross interspecies barriers and thus directly transmit from animal to man. HPAIV infections cause high pathogenicity and lethality in humans. If these viruses further adapt to the human host, such an event could lead to a pandemic among the immunologically naive human population. Therefore, it is essential to understand how avian influenza viruses cross species barriers and transmit from animals to the human host. The first species barrier influenza viruses have to overcome upon adaptation to humans is the cellular membrane of the new host cell. This is achieved by adaptation of the viral hemagglutinin to the human receptors presented on the cellular membrane. Another important barrier the virus has to overcome is the nuclear membrane of the human cell. As influenza viruses transcribe and replicate their genome in the nucleus, their viral ribonucleoprotein complexes need to be recognized and imported into the nucleus by the cellular nuclear import machinery, particularly the human importin α adaptor proteins. Hence, during the adaptation of a HPAIV to the mammalian host a switch in importin α dependency occurs. The replication of HPAIV is dependent on the human importin α3 isoform which functions as an inhibitor of the avian polymerase activity. On the contrary, the replication of human influenza viruses is dependent on the importin α7 isoform that serves as an activator of human polymerase activity. Conclusively, influenza viruses have acquired distinct features during adaptation to the mammalian host, such as the dependency on specific importin α isoforms by which they ensure a high replication efficiency in mammals. The principal aim of this study was to clarify the underlying mechanism which leads to this switch in importin α dependency in the mammalian lung. For this purpose the H7N7 SC35/SC35M adaptation model was used. Here, it could be shown that the importin α isoforms exhibit a differential expression in the mammalian lung. Importin α3 was in both, the murine and the human lung, the most abundant isoform, followed by importin α7. The infection with the H7N7 viruses of different host specificities led to a differential gene regulation of the importin α3 isoform: HPAIV SC35 infection resulted in an upregulation of importin α3 which correlated with a restricted infection of the lung. In contrast, infection with SC35M led to a selective downregulation of importin α3 which correlated with a systemic virus spread and high pathogenicity. In the importin α3 / mouse model the deletion of the importin α3 gene results in an increased virus replication and pathogenicity and is accompanied, especially in the case of the mammalian adapted influenza virus, with an increase in virulence. Consequently, HPAIVs have developed two distinct mechanisms to encounter the selective pressure posed by the importin α isoforms in the lung: (1) The inhibitory activity of importin α3 on virus replication is circumvented by active downregulation of this isoform. (2) The adaptation to the proliferative activity of the importin α7 isoform ensures efficient and high virus replication. Thus, avian influenza viruses have acquired specific mechanisms during mammalian adaptation to establish efficient virus replication in the respiratory tract. Here, the restriction factor of the lung (importin α3) is overcome by its active downregulation followed by the optimal adaptation to the proliferatory factor of the lung (importin α7). Our data suggest that the differential expression of the importin α isoforms in the mammalian respiratory tract constitutes a selective pressure that drives the evolution of influenza viruses.