Exploring the cGAS-STING axis and DNA damage after infection with respiratory syncytial virus

Abstract

Cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) er primært kjent som en cytosolisk DNA-sensor, som aktiverer medfødte immunresponser gjennom stimulator of interferon genes (STING). cGAS har nylig også blitt funnet lokalisert til kjernen i enkelte celletyper, der den utøver et vidt spekter av funksjoner. I tillegg begynner en rolle for cGAS i immunresponsen til enkelte RNA-virus å vise seg. I denne avhandlingen har vi utforsket den subcellulære lokalisering til cGAS i lungefibroblastene, Wi-38, gjennom infeksjon med respiratorisk syncytial-virus (RSV). Vi har også studert genomintegritet etter RSV-infeksjon, på bakgrunn av den mulige rollen til selv-DNA i aktiveringen av cGAS.

Resultatene våre demonstrer at cGAS hovedsakelig var lokalisert til cellekjernen i ikke-infiserte Wi-38 celler, men at den translokerte til cytoplasma etter RSV infeksjon. Etter infeksjon økte ekspresjonen av DNA dobbeltråd brudd markøren γH2AX. Deretter, detekterte vi γH2AX, kjerne-DNA og mitokondrielt-DNA i cytoplasma i RSV-infiserte celler. Resultatene våre antyder også at kjerne-DNA og mitokondrielt-DNA øker ekstracellulær. Imidlertid detekterte vi lav samlokalisering mellom cGAS, DNA markøren DAPI, og γH2AX i cytoplasma i RSV-infiserte celler. Videre, viste resultatene våre synkende ekspresjon av lamin A/C og lamin B1 etter RSV-infeksjon, som indikerer svekkelse av kjernemembranen. Til slutt, i en ny modell for den post-akutte fasen av RSV-infeksjon, viste vi en kontinuerlig økning i ekspresjonen av γH2AX, til tross reduksjon i virusmengde. Vi foreslår en forklaringsmodell der RSV-indusert syncytiadannelse, mulig sammen med produksjon av reaktive oksygenarter, forårsaker DNA lekkasje fra kjerne og mitokondrie, som til slutt fører til cGAS-STING aktivering.

Oppsummert, denne avhandlingen underbygger en rolle for cGAS-STING signalveien i responsen til RSV infeksjon. Den fremhever cGAS rolle i deteksjon av selv-DNA, og gir dypere innsikt i den medfødte immunresponsen mot RNA-virus.

Cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) is primarily recognized as a cytosolic DNA sensor, activating innate immune responses through the stimulator of interferon genes (STING). However, cGAS has recently been found located in the nucleus of some cell types, where it exhibits a wide range of functions. Additionally, a role for cGAS in the response to certain RNA viruses is just beginning to emerge. In this thesis, we explored the subcellular localization of cGAS during respiratory syncytial virus (RSV) infection in the lung fibroblast cell line, Wi-38. We also investigated genome integrity following RSV infection due to the potential role of self-DNA in cGAS activation.

Our results demonstrated that cGAS was localized predominantly to the nucleus in non-infected Wi-38 cells but translocated to the cytoplasm upon RSV infection. After infection, the expression of the DNA double-strand break marker γH2AX increased. Subsequently, we detected γH2AX, nuclear DNA (nDNA), and mitochondrial DNA (mtDNA) in the cytoplasm of RSV-infected cells. Our results also suggest that nDNA and mtDNA are released extracellularly. However, we detected low overall co-localization between cGAS, the DNA marker DAPI, and γH2AX in the cytoplasm of RSV-infected cells. Furthermore, our results showed a decrease in the expression of lamin A/C and lamin B1 after RSV infection, indicating a weakening of the nuclear envelope.

Finally, in a novel model of the post-acute phase of RSV infection, we revealed a continuous increase in γH2AX despite a decline in viral load. We propose a mechanism in which RSV-induced syncytia formation, potentially complimented by reactive oxygen species production, causes cellular damage, leading to disruption of DNA compartmentalization and subsequent cGAS-STING activation. In summary, this thesis supports a role for the cGAS-STING pathway in response to RSV infection. It highlights the role of cGAS in the detection of self-DNA, providing deeper insights into the mechanisms of innate immunity against RNA viruses.