Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Víctor González Motos

Discovery and characterization of a novel chemokine binding protein of varicella

zoster virus that enhances chemokine activity

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110512

title (ger.)

Entdeckung und Charakterisierung eines neuen Chemokin-bindenden und -aktivität steigernden Proteins des Varizella-Zoster-Virus

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/gonzalez-motosv_ws17.pdf

abstract (deutsch)

Das Varizella-Zoster Virus (VZV) ist ein sehr prävalentes humanes Alphaherpesvirus, dessen Latenz in den Neuronen der peripheren Ganglien etabliert ist. Die primäre Infektion erfolgt über die Atemwegsschleimhaut gefolgt von der viralen Replikation in Epithelzellen, von wo aus das Virus die Leukozyten infiziert und sich systemisch ausbreitet. Diese systemische Ausbreitung führt zum klassischen Ausbruch von Varizella-Zoster, den  sogenannten Windpocken. Symptomatisch werden Windpocken als Hautausschlag wahrgenommen, welcher durch die Replikation von VZV ausgehend von der basolateralen Schicht der Hautzellen verursacht wird. Darauffolgend bilden sich die typischen Bläschen, die unzählige Viruspartikel enthalten, und das Virus weiter verbreiten. Während der primären Infektion werden die Viruspartikel retrograd von der Haut weg oder durch Leukozyten schließlich zu den Neuronen transportiert. Diese werden infiziert und ermöglichen dem Virus eine Latenz zu entwickeln. Bei einer Reaktivierung, nach einer unbestimmten Zeit, können neu synthetisierte virale Partikel entstehen, die wiederum anterograd zu den Hautzellen transportiert werden und lokal einen schmerzvollen Hautausschlag verursachen, welcher auch als Herpes Zoster oder als Gürtelrose bekannt ist. Die Infektion und die Modulierung von Leukozyten ist ein essentieller Bestandteil der systemischen Virusverbreitung und der Kolonisierung der Ganglien und somit der Pathogenität von VZV. Bisher gab es keine Beweise über die Beeinflussung von Leukozyten hinsichtlich der Rekrutierung und der vermehrten Migration durch VZV.

 

Chemokine gehören zu der Familie der kleinen, basischen Zytokine und spielen eine wichtige antivirale Rolle. Sie sind für das Zusammenspiel, Regulierung und Migration von Leukozyten verantwortlich. Aufgrund dessen haben Herpesviren diverse Strategien entwickelt, die die Aktivität von Chemokinen beeinflussen. Eine der wichtigsten Strategien ist die Expression von viralen Chemokin-bindenden Proteinen (vCKBP). Diese Proteine haben wenig bis keine Sequenzhomologie zu den zellulären Chemokin-Rezeptoren oder zu den eigenen viralen Proteinen. Hauptsächlich verhindern die vCKBP die Funktionen von Chemokinen und beeinflussen die Migration von Leukozyten zum Ort der Infektion. Diese Eigenschaft der viralen Beeinflussung wurde zuvor beim VZV noch nie untersucht.

 

Es ist bekannt, dass Chemokine essentiell für die zielgerichtete Leukozytenmigration sind, und da VZV Leukozyten nutzt um eine systemische Infektion hervorzurufen, liegt die Theorie nahe, dass VZV vCKBP für eine virale Ausbreitung nutzen könnte.  Deshalb war es eines der Ziele dieser Arbeit, herauszufinden, ob VZV  vCKBP exprimiert und damit die Leukozytenmigration beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen fokussierten wir uns auf VZV Glykoproteine, genauer gesagt auf Glykoprotein C (gC). Hierbei handelt es sich um ein Typ 1 Transmembran-Glykoprotein, dessen Funktion bisher unbekannt war.

 

Die Ektodomäne von gC (rSgC) wurde über das Baculovirus Expressionssystem exprimiert und über die Affinitätschromatographie aufgereinigt. Des Weiteren haben wir die Methodik der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie verwendet und herausgefunden, dass rSgC mit einem weiten Spektrum an Chemokinen im nanomolaren Bereich interagiert. In Transwell-Experimenten hat rSgC in Gegenwart von Chemokinen die Migration von Leukozyten gesteigert. Des Weiteren konnten wir eine Interaktion zwischen rSgC und Glykosaminglykane (GAGs) auf Zelloberflächen beobachten, welche auch bei anderen vCKBP’s gesehen wurde. Das Wirkprinzip von gC benötigte nicht die direkte Interaktion mit GAGs, jedoch war die Bindung zu Chemokinen und deren Bindung an ihre Rezeptoren nötig, um die gesteigerte Aktivität zu beobachten. Diese Chemokinaktivität von gC konnte auch im viralen Kontext mit VZV beobachtet werden.

 

Zusammenfassend führen die Ergebnisse dieser Arbeit zur Entdeckung eines vCKBP des Varizella- Zoster Viruses. Wir vermuten, dass das Virus durch gC und die Bindung zu Chemokinen das Rekrutieren und die folgende Infektion von Leukozyten begünstigt, welches wiederrum die systemische Verbreitung und Pathogenität von VZV erhöht.

abstract (englisch)

Varicella zoster virus (VZV) is a highly prevalent human alphaherpesvirus that establishes latency in neurons of the peripheral ganglia. Primary infection starts at the respiratory mucosa and following replication in epithelial cells VZV infects leukocytes and uses them to spread systemically causing varicella or chickenpox.  The main symptom of chickenpox is a general skin rash caused when VZV reaches the skin from the basolateral layer and replicates causing blisters that release cell-free virus to the environment. During primary infection VZV infects and establishes latent infection in neurons, either following retrograde transport from the skin or directly from leukocytes. Years later reactivation may happen and newly synthetized viral particles travel through the axons in an anterograde transport, reaching the skin and causing a dermatome-localized and painful skin rash known as herpes zoster or shingles. Infection and modulation of leukocyte activity is critical for VZV systemic spread, colonization of ganglia and subsequent pathogenicity. Despite this, whether VZV modulates leukocyte recruitment and migration was not known.

 

Chemokines are a family of small, basic cytokines that regulate and orchestrate leukocyte migration to the site of infection, playing an essential antiviral role. Due to this, herpesviruses have developed several strategies to modulate chemokine activity, one of the most important, the expression of viral chemokine binding proteins (vCKBP). These proteins, with no or very low sequence homology to cellular chemokine receptor or among themselves, interact with chemokines and interfere with their function, modulating the migration of leukocytes during infection. However, this strategy was not described for VZV before this project.

 

Since chemokines are essential to direct leukocyte migration and VZV uses leukocytes to spread throughout the host, the main objective of this project was to determine whether VZV expresses any vCKBP able to interfere with leukocyte migration. To achieve this goal, we focused on VZV glycoproteins, in particular glycoprotein C (gC), a type I transmembrane glycoprotein of unknown function.

 

The ectodomain of gC (rSgC) was expressed with the baculovirus expression system and purified by affinity chromatography. By using Surface Plasmon Resonance, we showed that rSgC interacts with a broad range of chemokines with nanomolar affinity. This resulted in an enhancement of chemokine activity, resulting in more leuokocyte migration using transwell experiments. rSgC also bound to the cell surface by interacting with glycosaminglycans (GAGs), a feature previously found in other vCKBP. We determined the rSgC domains involved in the interaction with chemokines and GAGs. The mechanism of action of gC does not require interaction with GAGs but with the chemokine and signaling through its receptor. Interestingly, gC chemokine activity was also confirmed in the context of VZV.

 

Overall, this constitutes the discovery of the first vCKBP in VZV. Since gC enhances chemokine activity and thereby leukocyte migration we suggest that it may facilitate the recruitment and subsequent infection of leukocytes enhancing VZV systemic spread and pathogenicity.

keywords

Chemokin, Virale, Immunmodulation, Chemokine, Viral, Immunomodulation

kb

13.003