Herpesvirus use of protein aggregation and selective autophagy as immune evasion mechanism

Abstract

A viral infection induces a broad spectrum of innate and adaptive immune responses including the production of cytokines, the induction of cell death, and the activation and proliferation of T- and B-lymphocytes. Pattern recognition receptors (PRRs) serve as first-line sentinels for innate immune detection of pathogenic infections. After recognizing various conserved molecular motifs called “pathogen-associated-molecular patterns” (PAMPs), PRRs activate defense mechanisms that are important to restrict viral replication such as the nuclear factor kappa beta (NF-κB) pathway and programmed necrosis. Viruses have evolved strategies to prevent cellular detection by inducing the degradation of restriction factors. For example, it has been extensively reported that viral proteins can induce the ubiquitination and proteasomal degradation of cellular target proteins. However, many novel pathways are still being discovered. Recently, our laboratory has shown that the murine cytomegalovirus (MCMV) protein M45 redirects the NF-κB essential modulator (NEMO) to autophagosomes for degradation in order to block pro-inflammatory NF-κB signaling. The aim of this study was to investigate how M45 promotes the degradation of NEMO by autophagy. Indeed, M45 induces NEMO degradation by a two-step process: first by inducing its sequestration as an insoluble protein aggregate and second by facilitating its degradation by autophagy. Moreover, the same strategy is adopted for the degradation of the receptor interacting protein 1 (RIPK1). Aggregation of target proteins requires a characteristic sequence motif that I mapped within the C-terminal part of M45. The motif is conserved in homologous proteins of other herpesviruses and has been named Induced Protein Aggregation Motif (IPAM). The IPAM is not only required for M45 dimerization/oligomerization but is also necessary for inhibition of viral induced necroptosis and for effective viral dissemination in vivo. In the second step, M45 recruits the retromer component VPS26B and the LC3-interacting adaptor protein TBC1D5 to facilitate autophagic degradation of aggregates. Finally, the ICP6 protein of human herpes simplex virus type 1 (HSV-1) utilizes a similar mechanism as M45. Altogether, this study shows that protein aggregation and selective autophagy degradation represent a novel and conserved viral strategy to overcome innate cellular immune defenses.

Eine virale Infektion induziert ein breites Spektrum an angeborenen und adaptiven Immunantworten, einschließlich der Produktion von Zytokinen, der Induktion des Zelltods und der Aktivierung und Proliferation von T- und B-Lymphozyten. Pattern Recognition Receptors (PRRs, dt. etwa ‚Mustererkennungsrezeptoren‘) dienen als Wächter des angeborenen Immunnachweises pathogener Infektionen. Nach der Erkennung verschiedener konservierter molekularer Motive, so genannter „pathogen-assoziierter molekularer Muster“ (PAMPs), aktivieren PRRs Abwehrmechanismen, die wichtig sind, um die Virusreplikation einschränken, beispielsweise mittels dem Nuclear Factor Kappa Beta (NF-κB) Pfad und die programmierte Nekroptose. Durch den Abbau von Restriktionsfaktoren haben Viren Strategien entwickelt, um den zellulären Erkennungsmechanismus zu unterbinden. So wurde beispielsweise ausführlich berichtet, dass virale Proteine die Ubiquitierung und den proteasomalen Abbau von zellulären Zielproteinen induzieren können. Jedoch werden noch immer viele neue Signalwege entdeckt. Jüngst hat unser Labor gezeigt, dass das Murine Cytomegalievirus (MCMV)-Protein M45 den NF-κB essenziellen Modulator (NEMO) zu den Autophagosomen für den Abbau umleitet, und so die pro-inflammatorische NF-κB-Signalisierung blockiert. Ziel dieser Studie war es, zu untersuchen, wie M45 den Abbau von NEMO durch Autophagie induziert. M45 induziert den NEMO-Abbau in zwei Schritten: erstens durch die Induktion von Sequestrierung als unlösliches Proteinaggregat und zweitens durch den Abbau durch Autophagie. Darüber hinaus wird die gleiche Strategie für den Abbau des rezeptorinteragierenden Proteins 1 (RIPK1) verfolgt. Die Aggregation von Zielproteinen erfordert ein charakteristisches Sequenzmotiv, das ich im C-terminalen Teil von M45 identifiziert habe. Dieses Motiv ist in homologen Proteinen anderer Herpesviren konserviert und wurde als Induced Protein Aggregation Motif (IPAM) bezeichnet. Das IPAM wird nicht nur für die M45-Dimerisierung/Oligomerisierung benötigt, sondern auch zur Hemmung der viral induzierten Nekroptose und zur effektiven viralen Ausbreitung in vivo. Im zweiten Schritt rekrutiert M45 die Retromerkomponente VPS26B und das LC3-interagierende Adapterprotein TBC1D5, um den autophagischen Abbau von Aggregaten zu ermöglichen. Die biologische Relevanz dieser Ergebnisse wird durch die Tatsache gestützt, dass das Protein ICP6 des humanen Herpes-simplex-Virus 1 (HSV-1) einen ähnlichen Mechanismus nutzt wie M45. Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass Proteinaggregation und selektiver Autophagieabbau eine neuartige und konservierte virale Strategie zur Überwindung der angeborenen zellulären Immunabwehr darstellen.