Host-specific differences in the membrane fusion activity of influenza A viruses

Die Anpassung aviärer Influenza A Viren an neue Wirtsspezies umfasst eine Vielzahl von adaptiven Prozessen. Das Glykoprotein Hämagglutinin (HA) des Influenza A Viruses stellt dabei eine der Hauptdeterminanten der Wirtsrestriktion dar. Dies lässt sich auf die essentielle Rolle des HAs während des viralen Zelleintrittes zurückführen, wobei es sowohl die Bindung an den zellulären Rezeptor als auch die Fusion der viralen mit der endosomalen Membran vermittelt. Die Adaptation an die meisten Säugerspezies, inklusive Schwein, Frettchen und Mensch, resultiert in einer veränderten Rezeptorspezifität. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass die HA-vermittelte Membranfusion ebenfalls zur Limitierung des Wirtsspektrums beiträgt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es wirtsspezifische Unterschiede in der Membranfusionsaktivität von Influenza A Viren zu identifizieren. Dabei sollten potentielle Veränderungen der Fusionseigenschaften während einer Übertragung auf neue Wirtsspezies charakterisiert werden. Hierbei lag der Fokus auf der Transmission sowohl zwischen Vogel und Schwein, als auch von tierischen Influenza A Viren auf den Menschen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Fusionsaktivität eurasischer aviär-ähnlicher Schweineviren untersucht, welche im Europa der späten 1970er Jahre bei der Transmission eines aviären H1N1 auf Schweine entstanden. Dabei konnte gezeigt werden, das aviär-ähnliche Schweineviren ein höheres pH Optimum der HA-vermittelten Fusion und eine geringere HA-Stabilität aufweisen als ihre aviären Vorläufer. Dies deutet darauf hin, dass die Übertragung vom Vogel auf das Schwein mit einer Veränderung der HA-Stabilität einhergeht. Mittels Vergleich der HA Aminosäuresequenz früher aviär-ähnlicher Schweineviren mit ihren potentiellen aviären Vorläufern konnten acht Aminosäureunterschiede identifiziert werden. Es konnte gezeigt werden, dass eine dieser Mutationen zu der verringerten HA-Stabilität beiträgt. Übereinstimmend mit diesen Ergebnissen resultierte die experimentelle Adaption eines aviären Viruses an das Schwein in einer verringerten HA-Stabilität. Dies ist der erste experimentelle Nachweis, dass die virale Membranfusions- und HA-Stabilitätseigenschaften sich im Zuge einer Interspeziesübertragung verändern. Der zweite Teil der Arbeit behandelt Unterschiede in der Membranfusionsaktivität von Viren verschiedener aviärer Spezies. Hierfür wurden H7 Viren verglichen die aus wild lebenden Wasservögeln und domestiziertem Geflügel isoliert wurden. Eurasische H7 Geflügelviren wiesen dabei ein höheres pH-Optimum der Fusion und damit eine geringe HA-Stabilität auf als H7 Viren aus wild lebenden Wasservögeln. Verglichen zu repräsentativen Viren anderer Subtypen (H2, H3, H4, H5, H13, H14 und H16) konnte für alle getesteten eurasischen H7 Viren eine geringere Stabilität beobachtet werden. Erste Studien mit H5 Viren zeigen, dass eine geringe HA-Stabilität eine Aerosoltransmission im Frettchen-Model limitiert. Da humane Influenza Viren vorwiegend über Aerosole übertragen werden, wäre es möglich, dass die geringe Stabilität von H7 Geflügelviren eine Übertragung auf den Menschen beschränkt. Im letzten Teil wurden die Fusionseigenschaften pandemischer und humaner zoonotischer Viren untersucht. Hämagglutinine pandemischer Viren des letzten Jahrhunderts induzieren Fusion in einem engen pH-Bereich zwischen pH 5.0 und 5.2. Im Gegensatz dazu fusioniert das HA der Schweinegrippe von 2009 bei einem um 0.2 pH Einheiten höheren pH. Dies könnte auf den porzinen Ursprung dieses HAs zurückzuführen sein, was darauf hindeutet, dass die viralen fusogenen Eigenschaften einer fortgesetzten Adaption während einer andauernden Zirkulation in Schweinen unterliegen. Das pH-Optimum der Fusion eines zoonotischen H7N9 (2013) Virus weißt einen intermediären Phänotyp auf. Es zeigt einen geringeren pH der Fusion als putative Vorläufer in wild lebenden Wasservögeln, fusioniert jedoch bei einem höheren pH-Wert als typische human-adaptierte Viren. Dies könnte zu der beobachteten geringen Mensch-zu-Mensch Übertragung dieses Virus beigetragen haben. Um zu untersuchen welche Adaptionen im HA essentiell für die Anpassung aviärer Viren an den Menschen sind, wurden die Aminosäuresubstitutionen, welche das HA des pandemischen 1968 Virus von seinen möglichen aviären Vorläufern unterscheidet, näher analysiert. Zusätzlich zu dem bereits beschriebenen Wechsel der Rezeptorspezifität konnte eine Veränderung der Rezeptorbindungsstärke beobachtet werden, welche während oder vor Übertragung auf den Menschen erworben wurde. Während dieser Untersuchung konnten keine Unterschiede in der viralen Stabilität zwischen dem pandemischen und dem putativen aviären Vorläufer detektiert werden. Dies deutet darauf hin, dass der aviäre Vorläufer bereits eine ausreichende Stabilität besaß um Replikation und Transmission im Menschen zu gewährleisten. Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass sich die viralen Membranfusionseigenschaften von Influenza A Viren bei der Übertragung auf eine neue Wirtsspezies anpassen. Das deutet darauf hin, dass die HA-vermittelte Fusion und die HA-Stabilität als Wirtsrestriktionsfaktoren fungieren. Veränderung der viralen fusogenen Eigenschaften könnten essentiell für eine initiale Infektion neuer Wirtsspezies sein. Damit scheint eine optimale virale Stabilität benötigt zu werden um Transmission zwischen Individuen einer neuen Wirtspopulation zu gewährleisten.