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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-86795
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/8679/


New Insights into Hepatitis C Virus Induced Changes of the Host Cell Lipidome and the Impact of Fatty Acid Remodeling on the Viral Life Cycle

Lipidomanalyse Hepatitis C Virus-infizierter Zellen und das Zusammenspiel des Fettsäuremetabolismus mit dem viralen Lebenszyklus

Hofmann, Sarah

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SWD-Schlagwörter: Hepatitis-C-Virus , Lipide
Basisklassifikation: 42.32
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Herker, Eva (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.03.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 06.05.2019
Kurzfassung auf Englisch: Hepatitis C virus (HCV) infection often progresses to a chronic disease that causes liver pathologies including the accumulation of lipids, known as steatosis. Neutral lipids are stored in cellular organelles termed lipid droplets. Furthermore, HCV utilizes lipid droplets for its own purpose as virus assembly platform. In addition, several lipid synthesis pathways have been described to be required for viral replication. Examples are the cholesterol synthesis pathway and the desaturation of palmitic and stearic acid. Furthermore, HCV has the capability to interfere with the lipid metabolism causing changes in the host cell lipid composition.
The first aim of this study was the generation of lipid profiles from HCV-infected and uninfected cells by shotgun lipidomics. HCV-infected cells revealed a higher abundance of membrane lipids compared to neutral lipids, likely due to the formation of the membranous web for HCV RNA replication. Detailed lipid profiles revealed a lower abundance of triglycerides and phosphatidylcholines with shorter fatty acyl chains and an increased abundance of triglycerides and phosphatidylcholines with longer fatty acyl chains in HCV-infected cells compared to uninfected cells. These changes were observed in whole cell extracts as well as in isolated lipid droplet fractions. In addition, the free fatty acids arachidonic acid, eicosapentaenoic acid, and docosahexaenoic acid were increased in HCV-infected cells. Subsequently, the impact of free fatty acid supplementation on the viral life cycle was further elucidated. Interestingly, the influence of fatty acids on the viral life cycle was dependent on the fatty acid chain length and the degree of desaturation. Only the shortest fatty acid tested, lauric acid, promoted viral RNA replication and virus production. Two saturated fatty acids, myristic acid and palmitic acid, had an impact on late stages of the viral life cycle (production of viral progeny) without affecting viral RNA replication. Mono- and polyunsaturated fatty acids inhibited viral RNA replication and consequently virus production. Subsequent investigation of fatty acid modulating enzymes underlined the importance of a functional fatty acid homeostasis. This study revealed that a diminished fatty acid elongation or desaturation impairs mainly viral replication, while only the knockdown of the Δ6-desaturase FADS2 reduced virion production. Dose- and time dependent FADS2 inhibition indicates a dual role of FADS2 in the viral life cycle. Short-term FADS2 inhibition increased the surface expression of the HCV entry receptor SR-BI, and in low doses the FADS2 inhibitor was capable to promote viral replication. Prolonged treatment with high FADS2 inhibitor doses, but not with the low inhibitor dose, caused a reduction in virus production.
Taken together, this thesis provides new insights into the lipid composition of HCV-infected cells, including the lipid composition of lipid droplets. The role of fatty acids in the HCV life cycle was elucidated in greater detail and, importantly, FADS2 was discovered as a novel host factor that influences HCV replication.
Kurzfassung auf Englisch: Eine Infektion mit dem Hepatitis C Virus (HCV) nimmt häufig einen chronischen Verlauf, der zu krankhaften Veränderungen der Leber führen kann. Zu diesen Veränderungen gehört die als Steatose bezeichnete Akkumulierung von Lipiden in der Leber. Neutrallipide werden in cytoplasmatischen Organellen, den sogenannten lipid droplets, gespeichert. HCV verwendet lipid droplets als Plattform für die Virusassemblierung. Zudem spielt die zelluläre Lipidsynthese eine wichtige Rolle in der viralen Replikation. Beispiele sind die Cholesterolsynthese sowie die Desaturierung von Palmitin- und Stearinsäure. Des Weiteren führt eine Infektion mit HCV zu Veränderungen in der zellulären Lipidkomposition.
Zu Beginn dieser Arbeit wurden detaillierte Lipidprofile von HCV-infizierten und nicht-infizierten Zellen mittels shotgun lipidomics generiert. Im Vergleich zu nichtinfizierten Zellen enthielten HCV-infizierte Zellen einen höheren Anteil an Membranlipiden gegenüber Neutrallipiden. Grund hierfür könnten die von HCV induzierten Membranveränderungen sein. Die detaillierten Lipidprofile zeigten, dass HCV-infizierte Zellen im Vergleich zu nicht-infizierten Zellen einen verminderten Anteil an Triglyceriden und Phosphatidylcholinen mit kurzen Fettsäureketten aufweisen. Der Anteil an Triglyceriden und Phosphatidylcholinen mit längeren Fettsäureketten ist in HCV-infizierten Zellen erhöht. Diese Veränderungen waren sowohl in Extrakten aus der gesamten Zelle als auch in isolierten lipid droplets nachweisbar. Zudem trat in HCV-infizierten Zellen eine erhöhte Menge an Arachidonsäure, Eicosapentaensäure und Docosahexaensäure auf. Bei diesen drei Lipiden handelt es sich um freie Fettsäuren. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde der Einfluss einzelner freier Fettsäuren auf verschiedene Schritte des HCV-Lebenszyklus untersucht. Laurinsäure, die kürzeste untersuchte Fettsäure, steigerte die virale RNA-Replikation sowie die Virusproduktion. Zwei gesättigte Fettsäuren, Myristinsäure und Palmitinsäure, zeigten einen negativen Effekt auf späte Schritte des viralen Lebenszyklus (Virusproduktion), ohne dabei die virale RNA-Replikation zu beeinträchtigen. Einfach und mehrfachungesättigte Fettsäuren inhibierten die virale RNA-Replikation und demzufolge auch die Virusproduktion. Folglich haben Fettsäuren in Abhängigkeit von Kettenlänge und Grad der Desaturierung unterschiedliche Effekte. Die Untersuchung fettsäuremodulierender Enzyme zeigte, dass eine verminderte Elongation oder Desaturierung von Fettsäuren überwiegend die virale Replikation verringert. Ausschließlich der knockdown von FADS2 führte zu einer reduzierten Virusproduktion. Die Inhibierung von FADS2 zeigte einen dosis- und zeitabhängigen Effekt auf den HCV-Lebenszyklus: Eine kurze FADS2-Inhibierung erhöhte die Expression des HCV-Eintrittsrezeptors SR-BI und eine geringe Inhibitorkonzentration hatte einen positiven Effekt auf die virale Replikation. Eine länger andauernde Inhibierung mit einer hohen Inhibitorkonzentration führte hingegen zu einer reduzierten Virusproduktion.
Zusammengefasst konnten in dieser Studie neue Erkenntnisse über die Lipidkomposition von HCV-infizierten Zellen, sowie deren lipid droplets, gewonnen werden. Außerdem wurden weitere Details über die Rolle verschiedener Fettsäuren und die Bedeutung der Fettsäurehomöostase für den HCV-Lebenszyklus ermittelt. Insbesondere wurde FADS2 als neuer zellulärer Faktor mit einem Einfluss auf die HCV-Replikation identifiziert.

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