Dissertation

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

Verena Raker geb. Lübben

Herpes simplex virus type 1 (HSV-1)

infection alters growth factor signaling in

primary cortical brain cells

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-110864

title (eng.)

Herpes Simplex Virus Typ 1 (HSV-1) Infektion verändert Wachstumsfaktor-Signalwege in primären kortikalen Gehirnzellen

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/rakerv_ws17.pdf

abstract (deutsch)

Infektionen mit dem Herpes Simplex Virus Typ 1 (HSV-1) sind die häufigste Ursache für das Auftreten einer Enzephalitis im Temporallappen des zentralen Nervensystems (ZNS). Trotz der hohen Seroprävalenz für HSV-1 in der humanen Population ist die Häufigkeit einer Herpes Simplex Enzephalitis (HSE) vergleichsweise gering. Im Kontrast zu rezidiv lytischen Infektionen der mukosalen Epithelzellen, dem sogenannten Herpes labialis, führt HSV-1 in sensorischen Neuronen des trigeminalen Ganglions zu latenten Infektionen. Die reizvermittelte Reaktivierung latenter HSV-1 Infektionen oder eine erneute Infektion kann jedoch auch zu der Ausbildung einer Enzephalitis führen.

 

Zur Abwehr viraler Infektionen im ZNS kann trotz des immun privilegierten Zustandes eine Immunantwort ausgelöst werden. Diese Neuroinflammation ist durch pro- und anti-inflammatorische Mechanismen gekennzeichnet, die unter Anderem von aktivierten Astrozyten koordiniert werden. Andauernd aktivierte Astrozyten können aufgrund der pro-inflammatorischen Signale zu einer Beeinträchtigung der Wundheilung führen. Um den neuronalen Zelltod zu verhindern und die Geweberegeneration zu verbessern schütten Astrozyten zusätzlich neurotrophe Wachstumsfaktoren aus. Zu diesen Wachstumsfaktoren gehören auch die Fibroblasten Wachstumsfaktoren (fibroblast growth factors, FGF) und ihre Rezeptoren, die zahlreiche regenerative Prozesse steuern. In dieser Studie konnten wir zeigen, dass FGF-Signalwege in HSV-1 infizierten kortikalen Gehirnzellen verändert sind. Einige FGF Liganden zeigten eine stark verringerte Expression ähnlich der HSV-1 induzierten Reduktion der Transkription von Housekeeping Genen. Die Expression bestimmter FGF Liganden hingegen war stark erhöht und eine entsprechende Aktivierung von FGF-Rezeptoren auf benachbarten Zellen führte zur Hyperphosphorylierung der Kinase extracellular regulated kinase (ERK). Ein potentiell verantwortlicher Wachstumsfaktor ist FGF-4, der in Kontrollzellen nicht detektiert wurde, aber nach HSV-1 Infektion deutlich exprimiert war. Neben den mitogenen und anti-apoptotischen Eigenschaften von FGFs, kontrollieren diese auch die Aktivierung von Astrozyten durch die Inhibition von pro-inflammatorischen Signalwegen und die Regulation der Morphologie. Der Infektion der kortikalen Kultur folgte eine Aktivierung der Astrozyten, die durch hypertrophe Veränderungen der Zellstruktur beobachtet werden konnte und sich anschließend zurückbildete. Die morphologischen Veränderungen deuten auf eine transiente Aktivierung der Zellen hin. Die De-Aktivierung der Astrozyten im Verlauf der Infektion könnte Teil eines negativen Feedback-Loops sein, ausgelöst durch die Ausschüttung von FGF Liganden. Anschließend wurde der Mechanismus der erhöhten FGF-4 Expression genauer untersucht. Weder Rezeptoren der angeborenen Immunität (pathogen recognition receptors, PRR) noch HSV-1 Proteinen konnte ein Einfluss auf die FGF-4 Expression nachgewiesen werden. Durch die Verwendung UV-inaktivierter Viren konnte jedoch gezeigt werden, dass eine aktive Transkription viraler Gene für die Regulation notwendig ist. 

 

In einer globalen Analyse des Proteoms von HSV-1 infizierten kortikalen Gehirnzellen wurden Proteine im Zelllysat (Translatom) und ausgeschüttete Proteine (Sekretom) differenziert betrachtet. Ähnlich wie in vergleichbaren Studien in Epithelzellen und Makrophagen waren nach HSV-1 Infektion vermehrt Proteine reguliert, die an metabolischen Prozessen beteiligt sind. Der Vergleich dieser Proteom Datensätze deutet auf eine Gewebe-unspezifische Veränderung hin. Nervengewebe spezifische Proteinregulation konnte bei Proteinen festgestellt werden, die unter Anderem Modifikationen im Zytoskelett koordinieren. Diese Veränderungen werden möglicherweise nicht nur durch HSV-1 Infektionen hervorgerufen, sondern auch durch die Aktivierung von Astrozyten. Auch im Sekretom HSV-1 infizierter Gehirnzellen konnten regulierte Proteine identifiziert werden, die an Aktin Dynamik und neuronaler Morphologie beteiligt sind.

 

Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass kortikale Gehirnzellen auf eine HSV-1 Infektion mit einer Regulierung des FGF Systems reagieren. Diese Effekte beinhalten sowohl die Aktivierung des ERK-Signalwegs benachbarter Zellen als auch Modifikationen des Zytoskeletts. Aktivierte Astrozyten könnten die Quelle der ausgeschütteten FGF Liganden sein um die neuroinflammatorische Antwort und exzessive Aktivierung der Astrozyten zu regulieren.

abstract (englisch)

Herpes simplex virus type 1 (HSV-1) is the most common pathogenic agent of encephalitis affecting specifically the temporal lobe in the central nervous system. Despite the high seroprevalence for HSV-1 in the human population, the incidence of herpes simplex encephalitis (HSE) is comparatively low. HSV-1 is characterized by its ability to establish latency in sensory neurons of the trigeminal ganglion and recurrent lytic infections of the mucosal epithelium leading to herpes labialis. Reactivation of latent HSV-1 evoked by different trigger or second primary infections might lead to lytic infections of the brain parenchyma and the development of HSE. 

 

Although the CNS is an immune privileged site, inflammatory responses are activated to combat viral infections. During neuroinflammation, astrocytes play a major role in coordination of pro- and anti-inflammatory processes but may deteriorate the pathological outcome due to continuous astrocytic activation. Countermeasures against these detrimental effects include the secretion of neurotrophic factors by astrocytes to prevent neuronal death and contribute to tissue repair. Among these growth factors the fibroblast growth factor (FGF) system comprises several ligands and receptors involved in regenerative mechanisms following brain injuries. With this study, we demonstrate alterations of FGF signaling in cortical brain cells as response to HSV-1 infections. Several FGF ligands were downregulated similar to host shut-off triggered by HSV-1. Nevertheless, certain FGFs showed an enhanced expression profile and accordingly, phosphorylation analysis of neighboring cells revealed hyperphosphorylation of the extracellular regulated kinase (ERK) in an FGF-receptor dependent manner. Most prominent, in control conditions no expression of FGF-4 occurred, whereas after HSV 1 infection high transcript level were detected and might be responsible for paracrine ERK signaling. Beside their mitogenic and anti-apoptotic effects, FGF ligands control excessive activation of astrocytes by suppression of pro-inflammatory signaling and regulation of astrocytic morphology. Astrocytes in the cortical brain culture of this study showed signs of activation by means of hypertrophy. Further, this hypertrophy decreased at later times of infection indicating a transient activation. The de-activation of astrocytes might be coordinated by enhanced FGF-signaling mediated by astrocytes themselves as response to HSV-1 infection. Different analyses to identify the mechanism inducing FGF 4 expression were performed and excluded several pathogen recognition receptors of the innate immunity as well as certain HSV-1 proteins involved in immune evasion and neurovirulence. However, an UV-inactivation assay showed a need for active transcription of viral genes. 

 

In addition, we performed global proteomic analyzes and distinguished proteins in cell lysates (translatome) from secreted proteins (secretome). Similar protein regulations of metabolic pathways were found in the cortical brain culture infected with HSV-1 compared to proteomic data of epithelial cells and macrophages. Interestingly, certain proteins involved in cytoskeletal organization and focal adhesion were particularly regulated in the translatome of cortical brain cultures arguing for a tissue specific response to HSV-1 infections. These changes may not only result from HSV-1 induced cytoskeletal alterations, but also from astrocytic activation. Furthermore, investigation of the secretome of HSV-1 infected CNS cells identified regulated proteins relevant in actin dynamics and regulation of neuronal morphology.

 

In conclusion, HSV-1 infection of cortical brain cells results in altered FGF-signaling with paracrine ERK-signaling in neighboring cells as well as cytoskeletal modifications. Secreted FGFs might be released from activated astrocytes controlling neuroinflammatory processes and excessive astrocytic activation.

keywords

Herpex Simplex Virus Typ 1, Fibroblastenwachstumsfaktor, Zentrales Nervensystem / Herpes simplex virus type 1, Fibroblast growth factor, central nervous system

kb

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