Identification and characterization of host specificity factors of a lethal human influenza H5N1 isolate

Influenza-A-Viren sind wichtige humane und aviäre Krankheitserreger. Trotz einer Speziesbarriere können aviäre Influenza-A-Viren von Wasservögeln auf Menschen übertragen werden. Sporadisch kann es dabei zu einer Etablierung des Virus in der menschlichen Bevölkerung kommen, woraus eine Pandemie resultieren kann. Humane Infektionen mit aviären Influenza-A-Viren des Subtyps H5N1 stellen dabei eine stete Bedrohung dar. Das Verständnis der Mechanismen, durch die Influenza-A-Viren die Spezies-Barriere zwischen Vögeln und Menschen überwinden und Verbesserungen der derzeitigen Impfstrategien sind essentiell für die Kontrolle von zukünftigen Pandemien. Das in dieser Arbeit verwendete H5N1 Virus A/Thailand/1(KAN-1)/2004 (H5N1) (KAN-1) wurde aus einem Menschen isoliert, der an dieser Infektion starb. Es lässt sich an diesem Beispiel detailliert untersuchen, welche Veränderungen ein H5N1 Virus benötigt, um die Speziesbarriere vom Vogel zum Menschen zu überschreiten. • Wir konnten eine Adaption im KAN-1 Hämagglutinin (HA) nachweisen, indem wir für eine im Menschen positiv selektionierte Mutation im HA-Protein einen veränderten Gewebetropismus in der Maus und im Frettchen beobachten konnten. Im Mausmodel konnten wir eine erhöhte Replikation dieser Virusvariante in der Lunge feststellen. • Durch eine genetische Analyse des KAN-1 Virus konnten wir entscheidende Mutationen für die Adaption an den Säuger identifizieren. Interessanterweise zeigte sich, dass im Gegensatz zu anderen humanen H5N1-Viren die KAN-1-Polymerase nur schwach an den Menschen angepasst ist. Mit dem Nachweis, dass eine Mutation im NEP Protein von KAN-1 die nicht genügend angepasste Polymerase kompensiert identifizierten wir NEP als neue Pathogenitätsdeterminante der H5N1-Viren im Menschen. Zudem zeigten mechanistische Studien einen Replikationsdefekt der aviären Influenza-Polymerasen im Menschen. • Da die menschliche GTPase MxA ein wichtiger Faktor der Immunantwort gegen Influenza-Viren ist, analysierten wir ihre antivirale Aktivität gegen KAN-1. KAN-1 erwies sich als sensitiv, während ein Isolat der Pandemie von 2009 relativ resistent gegenüber MxA war. Wir konnten das virale Nukleoprotein (NP) als die Determinante für MxA- Sensitivität in vitro und in vivo bestimmen. Zudem identifizierten wir Mutationen in NEP, die verantwortlich für die Resistenz gegenüber MxA sind und konnten Rückschlüsse auf die Evolution von NP ziehen. • Basierend auf unserem Wissen über Protein-Protein-Wechselwirkungen innerhalb des Polymerase Komplexes entwickelten wir eine neue Strategie zur Entwicklung von Polymerase-Assembly-Mutanten als Basis einer Lebendvaccine gegen H5N1. Die Impfung von Mäusen mit diesen Mutanten vermittelte einen Schutz vor homologer und heterologer Infektion mit tödlichen Dosen von H5N1 Viren inklusive KAN-1. Diese neue Strategie bietet daher eine Ergänzung zu bereits verfügbaren Lebend-Impfstoffen.