Dissertation

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

Nora Kühn

n´ee Mehnert

Studies on the host response to influenza A

virus infections in mouse knock-out mutants

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107087

title (ger.)

Analyse der Wirtsantwort auf Influenza A Infektion in Knock-out Mausstämmen

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kuehnn_ss15.pdf

abstract (deutsch)

Influenza A Virus (IAV)-Infektionen stellen weltweit eines der größten Gesundheitsprobleme dar. Steigende Anzahlen auftretender Resistenzen gegenüber antiviralen Medikamenten erschwert die Bekämpfung von IAV-Infektionen. Die Aktivierung des Oberflächenproteins Hämaglutinin (HA) durch Wirtsproteasen ist ein essentieller Schritt bei der Replikation des Influenza Virus’. Aufgrund ihrer wichtigen Funktion in der Virusvermehrung sind Wirtsproteasen daher ein vielversprechender Angriffspunkt in der Entwicklung neuer Medikamente gegen Influenzainfektionen. Hochpathogene aviäre Virusstämme werden überall im Körper von subtilisin-ähnlichen Proteasen gespalten. Im Gegensatz dazu können humane Influenzaviren mit einer monobasischen Spalt- stelle, abhängig vom Gewebe, von verschiedenen Wirtsproteasen aktiviert werden. In diversen in vitro Studien wurden Mitglieder der Typ II Transmembran-Serinproteasen als Enzyme der HA-Aktivierung von Influenzaviren beschrieben.

Die Zielsetzung meiner Doktorarbeit war, die in vivo Funktion der Wirtsproteasen TMPRSS2, TMPRSS4 und TMPRSS11D nach einer IAV-Infektion mit Hilfe von Knock-out Mausstämmen zu untersuchen.

In meiner Doktorarbeit konnte ich zeigen, dass das Ausschalten der Wirtsprotease TMPRSS2 die Ausbreitung des monobasischen H1N1 Virus, sowohl des Maus adaptierten PR8 Virus’ als auch des pandemischen Influenza H1N1 2009 Virus’, inhibiert. Nach der Infektion waren Tmprss2 Knock-out Mäuse vollständig vor Gewichtsverlust und einem letalen Krankheitsverlauf geschützt. Weiterhin war die Auswirkung der Infektion auf Lungenfunktion als wie auch auf die Lungenpathologie sehr gering. Auch nach Infektion mit einem weiteren humanpathogenen Influenza Subtypen H3N2, waren Gewichtsverlust und Mortalität in Tmprss2 Knock-out Mäusen weniger schwerwiegend als in den Kontrolltieren. Allerdings konnte kein vollständiger Schutz beobachtet werden. Aufgrund dieser Ergebnisse kann geschlussfolgert werden, dass H3 noch von weiteren Wirtsproteasen aktiviert werden kann.

Im Gegensatz zu Tmprss2, zeigten Tmprss4-defiziente Mäuse nach einer H3N2 IAV Infektion keinen Unterschied im Gewichtsverlust, Mortalität und viraler Ausbreitung in der Lunge. Allerdings waren Tmprss2Tmprss4 Doppel-Knock-out Mäuse resistenter gegenüber H3N2 in Bezug auf Gewichtsverlust, Sterberate, Dissemination von viralen Partikeln und Lungenpathologie. Eine komplette Resistenz gegenüber H3N2 konnte allerdings immer noch nicht beobachtet werden. Um weitere H3-aktivierende Wirtsproteasen zu identifizieren, wurde mit Hilfe von Tmprss11d Knock-out Mäusen die Rolle von TMPRSS11D in der H3N2 Pathogenese untersucht. Tmprss11d Knock-out Mäuse wiesen eine höhere Überlebensrate als die Kontrolltiere auf, und somit konnte ich zeigen, dass TMPRSS11D, neben TMPRSS2 und TMPRSS4, ebenfalls an der H3-Spaltung in vivo beteiligt ist.

Um den Infektionsverlauf und die Lungenfunktion nach einer IAV Infektion präziser zu beschreiben, habe ich die Pulsoxymetrie als alternative Methode zur Körpergewichtsmessung etabliert. Nach der Infektion korreliert die Sauerstoffsättigung mit der viralen Replikation als auch mit pathophysiologischen Veränderungen in der Lunge.

Zusammengefasst zeigte ich in meiner Doktorarbeit die Beteiligung verschiedener Wirtsproteasen an der HA Aktivierung im Mausmodell. Die H1-Spaltung ist komplett abhängig von der Aktivität von TMPRSS2. Im Gegensatz dazu wird H3 von TMPRSS2, TMPRSS4 und TMPRSS11D gespalten. Aufgrund dieser Ergebnisse stellen diese drei Proteasen geeignete und vielversprechende Targets für innovative Strategien zur Bekämpfung von Influenza Infektionen dar.

abstract (englisch)

Influenza A virus (IAV) infection poses a significant public health problem worldwide and treatment is limited due to occurring virus resistances. The influenza virus hemagglutinin (HA), which mediates viral entry into the target cells, has to be cleaved by host proteases to mature into an active form. Host proteases responsible for cleavage activation represent potential new targets for antiviral therapy. Ubiquitously expressed subtilisin-like proteases are known to activate highly pathogenic avian influenza viruses. However, other tissue- and cell-specific proteases are involved in the activation of human influenza viruses with monobasic HA cleavage site. Recently, type II transmembrane serine proteases (TTSPs) have been described as cleavage activators in cell culture.

The goal of my thesis was to examine the in vivo role of three host cell proteases TMPRSS2, TMPRSS4 and TMPRSS11D after IAV infection in mouse knock-out models.

Here, I demonstrated that deletion of the host protease TMPRSS2 inhibited the spread of mono-basic H1N1 IAV, including the pandemic 2009 H1N1. Tmprss2-deficient mice were completely protected from body weight loss and death after infection. Impairment of lung function and lung pathology was strongly reduced. Also, after infection with the mono-basic H3N2 IAV, body weight loss and mortality were less severe in Tmprss2-deficient mice than in control mice but not completely inhibited. These observations suggest that for cleavage activation of H3 viruses other proteases besides TMPRSS2 are involved in vivo.

Deletion of TMPRSS4 did not protect mice from body weight loss, death and virus spread upon infection with H3N2 IAV. However, Tmprss2-/-Tmprss4-/- double knock- out mice showed strongly reduced body weight loss and mortality as well as decreased viral spread and lung pathology in comparison to wild type mice. However, protection was still not complete. Therefore, I analyzed the role of a third protease, TMPRSS11D, for H3N2 IAV activation. Tmprss11d-/- mice exhibited also decreased mortality demonstrating that it may also be involved in cleavage activation of H3 HA in vivo.

In addition, I successfully established pulse oximetry to measure oxygen saturation after infection in different mouse strains. Oxygen saturation correlates with pathophysiological changes in the lung after IAV infection and with viral titer.

In summary, the results of my thesis work demonstrated the involvement of several proteases in HA cleavage in vivo. H1 is completely dependent on TMPRSS2. In contrast, H3 can be activated by TMPRSS2, TMPRSS4 and also by TMPRSS11D. Therefore, all three proteases represent suitable targets for new antivirals fighting human IAV infections.

keywords

Influenza A, Mausmodell, Wirtsproteasen; influenza A, mouse model, host proteases

kb

6.325