Interplay of Single-Stranded RNA Viruses with Autophagy: Intracellular Mechanisms and Functional Impact

Abstract

Samspillet mellom enkelt-trådet RNA virus og autofagi: intracellulære mekanismer og funksjonell betydning:

Virus er i stand til å infisere alle levende organismer fra planter til mennesker. De er fullstendig avhengig av vertscellen de infiserer for egen reproduksjon. Virus forårsaker mange alvorlige sykdommer hos mennesker fra relativt ufarlig influensa til dødelig ebola. En virusinfeksjon vil fremprovosere en immunrespons hos verten. Immunsystemet er en samling biologiske strukturer og prosesser i en organisme som beskytter mot sykdom. I de fleste tilfeller vil immunsystemet eliminere virus, men enkelte virus, som hepatitt C virus (HCV) overlister immunsystemet og etablerer kronisk infeksjon. I løpet av evolusjonen har virus kontinuerlig prøvd å finne nye veier for å utnytte verten sin. Autofagi er en konservert cellulær degraderingsprosess som er viktig for den cellulære homeostasen. Cytoplasmatisk materiale blir avsatt i dobbeltmembran vakuoler, kalt autofagosomer, som til slutt fusjoner med lysosomer hvor materialet blir degradert. Autofagi foregår på et basalt nivå, men kan også induseres ved miljømessige signal som blant annet næring, hormoner og mikrobielle patogener. I den senere tid har det også blitt avdekket at autofagi modulerer vertscellens immunrespons mot virus. Mange RNA virus utnytter autofagiprosessen til fordel for egen genom replikasjon. Skjønt en detaljert innsikt i mekanismene for hvordan virus induserer autofagi er mangelfull. I dette arbeidet beskriver vi for første gang mekanismer for hvordan enkelttrådet RNA virus initierer dannelsen av autofagosomer. Vi viser at både Sendai virus (SV, negative-sense) og HCV (positiv-sense) induserer dannelsen av autofagosomer via autofagiproteinene ULK1, ULK2, ATG5 og ATG7. Videre demonstrer vi at både SV og HCV induserer en aktivering av ULK komplekset som er det trinnet som er mest oppstrøms i initieringen av fagoforen, som er forløperen til autofagosomet. Aktiveringen av ULK komplekset har dermed en pivotal rolle i initieringen av autofagi. Dessuten for SV fant vi at immune proteiner regulerer initieringen av autofagi forskjellig. RIG-I-MAVS medierer SV indusert autofagi, mens immune kinasen TBK1 ser ut til å bremse aktiveringen av ULK1 og dermed initieringen av autofagsomer. Videre avdekker vi de underliggende mekanismene for hvordan RNA virus bruker IRGM til å modulere autofagi. Med konfokal mikroskopi studier viser vi den intracellulære lokaliseringen av IRGM. Vi fant at IRGM finnes utelukkende på Golgi strukturer i både hvilende og i HCV infiserte hepatocytter. Vi viser videre at HCV infeksjon medfører en reorganisering av IRGM til vesikler avledet fra Golgi. Disse vesiklene rekrutteres til autofagosomer. Et kjennetegn hos positive-sense enkelt-trådet RNA virus er deres remodulering av intracellulære membraner til spesialiserte RNA replikasjonsorganeller. Verken egenskapene til membranene som er nødvendig for virusreplikasjon eller mekanismene for hvordan RNA virus regulerer membranrearrangeringene er kjent. Vi foreslår i denne studien at Golgi membraner inngår i etableringen av HCV induserte autofagosomer og at disse autofagosomene enten inngår direkte i HCV replikasjonskomplekset eller at det foregår en komplett autofagiprosess der innholdet i autofagosomene brytes ned og det dannes et energirikt miljø som favoriserer virusreplikasjon. En slik produktive autofagiprosess er vist å fasilitere f.eks poliovirus replikasjon. Både SV og HCV er avhengig av dannelsen av autofagosomer for optimal virusreplikasjon. For SV viser vi en funksjonell betydning av dannelsen av autofagosomer ved at MAVS blir arrestert i autofagosomer og SV delvis hemmer nedbrytningen av disse autofagosomene. Dette kan enten resultere i en demping av den anti-virale responsen fordi MAVS nå ikke kan videreføre signaleringen fra RIG-I som vil være en fordel for viruset. Eller det kan resultere i en finjustering av den antivirale responsen for å hindre overdreven inflammasjon som kan medføre skade på vertscellen. En slik finjustering vil også være en fordel for verten. Formålet med dette studiet var å skaffe ny kunnskap om det molekylære samspillet mellom enkelt-trådet RNA virus og autofagi, spesielt med interesse for intracellulære mekanismer og den funksjonelle innvirkningen dette samspillet har på utfallet av virusinfeksjonen.