title: Wirtsspezifische Unterschiede in der Membranfusionsaktivität von Influenza A Viren
title: Host-specific differences in the membrane fusion activity of influenza A viruses
Creators: name: Baumann, Jan
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Influenza A Virus , Fusion
Fusion, Hämagglutinin
H1N1
Hämagglutinin
Influenza A Virus
Influenza A virus
H1N1
membrane fusion
H1N1
Sciences
Naturwissenschaften
hemagglutinin

description: 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.
description: The transmission of influenza A
      viruses from avian to other species involves numerous
      adaptive processes to overcome the species barrier. One major
      determinant of host-range restriction is the viral
      hemagglutinin (HA). HA plays a crucial role in virus entry
      into the host cell by mediating receptor-binding and membrane
      fusion. Virus adaptation to mammals results in alteration of
      receptor-binding specificity. There is growing evidence that
      the HA-mediated membrane fusion activity contributes to host
      range restriction as well. This study aimed to identify host
      specific differences in membrane fusion properties and to
      characterise potential alterations during interspecies
      transmission. In the first part of the thesis Eurasian
      avian-like swine viruses that emerged by transmission of an
      avian H1N1 virus in pigs in the late 1970s in Europe were
      shown to have a higher pH optimum of HA-mediated fusion (pH
      5.1-5.4) and a decreased HA stability when compared to avian
      precursors (pH 4.9-5.2). These results indicate that this
      avian-to-swine transmission was accompanied by changes in HA
      stability. Sequence comparison revealed eight amino acid
      substitutions that separate the HA of early avian-like swine
      viruses from their putative avian precursor. Furthermore,
      mutations in one of these positions contribute to the low
      stability phenotype. In agreement with natural avian-to-swine
      transmission, experimental adaptation of a potential avian
      precursor of the avian-like swine lineage to pigs resulted in
      a decreased HA stability. This states the first formal proof
      that viral membrane fusion and stability properties change
      during interspecies transmission. The second part of the
      thesis investigated differences in membrane fusion activity
      among different avian virus species. Comparison of H7 viruses
      from wild birds and domestic poultry suggests that Eurasian
      H7 poultry viruses have a higher pH optimum of membrane
      fusion (pH 6.2) and thus possess a lower stability than H7
      viruses from wild birds (pH 5.2). Moreover, all tested
      Eurasian H7 viruses express a lower HA stability than HAs
      from other subtypes (H2, H3, H4, H5, H13, H14 und H16).
      Previous studies indicate that H5 viruses with low HA
      stability replicate but do not transmit via respiratory
      droplets in the ferret model (Imai et al., 2012; Herfst et
      al., 2012). Thus, it is feasible, that H7 viruses originated
      from poultry are restricted in ferrets and humans to similar
      extend. In the last part, fusion properties of human pandemic
      and zoonotic viruses were studied. HAs of pandemic viruses
      from the last century initiated fusion in a narrow pH range
      between pH 5.0 and 5.2. In contrast, the swine-origin 2009
      pandemic virus HA starts to fuse at a pH 0.2 units higher,
      which might be due to the swine origin of this HA. This
      further suggests that fusion characteristics continue to
      adapt in the course of subsequent circulation. The pH optimum
      of fusion of a zoonotic human H7N9 (2013) virus represents an
      intermediate in that it is lower when compared to putative
      ancestors circulating in wild birds, but still higher than
      that of typical human-adapted viruses. This may account for
      limited human-to-human transmission observed for this virus.
      In order to further investigate which changes in HA are
      needed for the emergence of avian viruses in humans, HA
      substitutions separating the 1968 Hong Kong pandemic virus HA
      from the putative avian precursor were examined. In addition
      to the well-known switch in receptor specificity, binding
      avidity changed prior to or during the emergence in humans.
      In this study, no difference in viral stability was observed
      between the pandemic virus and the putative avian precursor.
      This indicates that the avian ancestor was already
      sufficiently stable to facilitate replication and
      transmission in humans. In sum, this study shows that
      membrane fusion properties vary between host species and
      alter during influenza A virus emergence in new hosts. This
      suggests HA-mediated fusion and HA stability to act as host
      range restriction factors. Alterations in membrane fusion
      activity and viral stability may not be essential for initial
      infection of new host individuals. However, an optimal
      stability seems to be necessary to facilitate transmission
      within populations of new host species.