Early antiviral responses against Batai Virus, Bunyamwera Virus, and their reassortants

Zöller, David, Daniel, Jörg, Aurel

DissertationCC BY 4.02025Published

Early antiviral responses against Batai Virus, Bunyamwera Virus, and their reassortants

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Vektorübertragene Krankheiten stellen ein unmittelbares Gesundheitsrisiko für über die Hälfte der Weltbevölkerung dar und Arboviren leisten dazu einen erheblichen Beitrag. Das stetig zunehmende erscheinen und Wiederauftreten von Arbovirus-Erkrankungen, insbesondere derer von zoonotischer Natur, lässt sich auf menschliches Verhalten zurückführen, im Speziellen auf die damit einhergehenden ökologischen und klimabedingten Veränderungen. Folglich ist die Prävention des steigenden Risikos und der potenziellen Arbovirus-bedingten Epidemien von politischem und öffentlichem Interesse sowie von hoher Priorität. Eine wichtige und vielfältige Gruppe von überwiegend durch Arthropoden übertragenen Viren stellen die Orthobunyaviren (OBVs) dar, ein Genus mit einer stetig wachsenden Anzahl von Arboviren, die sowohl beim Menschen als auch bei Nutztieren Krankheiten verursachen. Besonders das besorgniserregende Potenzial eng verwandter OBVs, ihre segmentierten Genome bei gleichzeitiger Infektion desselben Wirts neu zu kombinieren, darf nicht unterschätzt werden. Die Relevanz dieser Ereignisse wurde spätestens deutlich, als plötzliche Ausbrüche von tödlichem hämorrhagischem Fieber mit dem Ngari-Virus (NRIV) in Verbindung gebracht werden konnten, einem Reassortanten basierend auf Orthobunyavirus bateiense (BATV) und Orthobunyavirus bunyamweraense (BUNV). Dennoch bleiben Studien zu diesen Viren trotz der entscheidenden Bedeutung solcher Erkenntnisse für die Bewertung ihres zoonotischen Potenzials rar. Um diese Probleme anzugehen, ist es entscheidend, unser Verständnis des dynamischen Zusammenspiels zwischen diesen Viren und dem angeborenen Immunsystem des Wirts zu vertiefen, einschließlich der Auswirkungen, die Reassortierungsereignisse auf diese Dynamiken haben. Ziel der vorliegenden Studie ist es, zu diesem Verständnis beizutragen. Der erste Teil der Untersuchung befasst sich mit der Rolle des C-Typ-Lektin-Rezeptors Mincle und dessen nachgeschalteter Signalachse bei Infektionen mit dem weit verbreiteten, aber unzureichend charakterisierten BATV. Konkret wurde eine transkriptomische Charakterisierung von murinen, aus Knochenmark abgeleiteten dendritischen Zellen von Mincle-Knockout-Mäusen durchgeführt. Dies wurde ergänzt durch qPCR-basierte Genexpressionsassays, siRNA-basierte Knockout-Experimente für Mincle und CARD9 sowie ELISA-basierte Interaktionsassays für C-Typ-Lektine. Die Ergebnisse stellen frühere Annahmen zur Rolle der Mincle-CARD9-Signalkette bei BATV-Infektionen infrage, da sie darauf hindeuten, dass dieser Signalweg eine untergeordnete Rolle in der Entzündungsantwort auf BATV-Infektionen spielt. Davon abgesehen enthüllte die transkriptomische Analyse jedoch, dass BATV-Infektionen eine starke frühe Immunantwort auslösen, die hauptsächlich durch retinoic acid inducible gene I und melanoma differentiation-associated protein 5 vermittelt wird, mit potenzieller Unterstützung durch Toll-like receptor 3. Schließlich gipfelte diese Reaktion in einer signifikanten und breiten Hochregulierung von Typ-I-Interferonen, Interferon-stimulierten Genen und Chemokinen. Im zweiten Abschnitt der Studie wurde die entdeckte frühe Immunantwort nach BATV-Infektionen weiter untersucht, indem der Fokus auf die frühen Immunantworten nach Infektionen mit BUNV und den beiden Reassortanten Batunya und Ngari-like ausgeweitet wurde. Zur Erfüllung dieses Zweckes wurde eine zweite transkriptomische Untersuchung an murinen, aus Knochenmark abgeleiteten dendritischen Zellen durchgeführt. Zudem wurden qPCR-Assays ergänzt, die die vergleichende Analyse auf ovine SFT-R-Zellen und humane THP-1-abgeleitete dendritische Zellen erweiterten. Die Daten lassen vermuten, dass BATV eine stärkere frühe Immunantwort auslöst als BUNV. Die Reassortanten zeigten hingegen eine Mischung aus Eigenschaften beider Ausgangsviren, wobei immunstimulierende BATV- und immunvermeidende BUNV-Merkmale kombiniert wurden. Dies führte zu neuartigen, nachkommen-spezifischen Eigenschaften, die den Krankheitsverlauf erschweren könnten. Schlussendlich wird nachgewiesen, dass diese Beobachtungen möglicherweise auf verschiedene Spezies übertragbar sind und dass, potenziell artspezifische Anfälligkeiten plausibel sind. Zusammenfassend betonen diese Ergebnisse die Unterschiede in der frühen Immunantwort, der Immunogenität und der Zytokinregulation zwischen OBVs und ihren Reassortanten. Damit bietet diese Studie eine Grundlage und eine Richtung für weitere Forschung an OBVs, insbesondere BATV und NRIV, die angesichts des aktuellen Anstiegs arbovirusbedingter Epidemien bei Menschen und Nutztieren dringend erforderlich sind.

Vector-borne diseases pose an immediate health risk to over half of the earth’s inhabitants, with arboviruses taking a considerable share in this. The steadily increasing emergence and re-emergence of arboviral diseases, specifically zoonotic ones, can be attributed to human behaviour, particularly the concomitant ecological and climate-related changes. Consequentially, pre-emption of the increasing risk and the potential for arbovirus-driven epidemics is of political and public interest and priority. One important and diverse representative group of predominantly arthropod-transmitted viruses is given by Orthobunyaviruses (OBVs), a genus with increasing numbers of arbovirus species that are causative agents of disease in humans and livestock. Especially the worrisome potential of closely related OBVs to reassort their segmented genomes under co-infection of the same host, should not be taken lightly. The relevance of these events became evident at the latest when the sudden occurrence of fatal haemorrhagic fever outbreaks was linked to the Ngari virus (NRIV), a reassortant of Orthobunyavirus bateiense (BATV) and Orthobunyavirus bunyamweraense (BUNV). However, studies investigating these viruses are still limited despite the critical need for this knowledge to assess their zoonotic potential. To address these concerns, it is crucial to deepen our understanding of the dynamic interplay between these viruses and the host’s innate immune system, including the impact that reassortment events may have on these dynamics. In pursuit of this goal, the first part of this study provides an initial investigation into the role of the C-type lectin receptor Mincle and its downstream signalling axis in infections with the widely distributed but insufficiently characterised BATV. Specifically, transcriptomic profiling of murine Mincle knockout bone marrow-derived dendritic cells was performed, completed by qPCR-based gene expression assays, siRNA-based Mincle and CARD9 knockout experiments, and ELISA-based C-type lectin interaction assays. The findings challenge previous postulations regarding the role of the Mincle-CARD9-signalling in BATV infections, indicating that this pathway had a subordinate role in the inflammatory response to BATV infections. However, the transcriptomic analysis also suggested that the BATV infection triggered a strong early immune response, primarily mediated by retinoic acid-inducible gene I and melanoma differentiation-associated protein 5, with potential support from Toll-like receptor 3. Eventually, this response culminated in a significant and broad upregulation of type I interferons, interferon-regulated genes, and chemokines.

In the second section, the discovered early immune response after BATV infections was further investigated by expanding into the early immune responses elicited by infections with BUNV and the two reassortant viruses, Batunya and Ngari-like. To this end, a second transcriptomic investigation was conducted in murine bone marrow-derived dendritic cells. Moreover, qPCR assays were added, expanding the comparative analysis into ovine SFT-R cells and human THP-1-derived DCs. These data suggest that BATV triggers a stronger early immune response than BUNV. The reassortants revealed a mixture of traits of both opposing viruses, combining immunostimulatory BATV and immune-avoiding BUNV traits, leading to even progeny-unique new characteristics which could complicate disease severity. Finally, evidence is given that these observations may apply across different species and that potential species-specific vulnerabilities are tenable. In summary, these results emphasise the differences in early immune response, immunogenicity, and cytokine regulation between OBVs and their reassortants. This provides a basis and a direction for further research concerning OBVs, especially BATV and NRIV, which is urgently needed at the current time, as arbovirus-caused epidemics among humans and domestic animals continue to rise.