title: Identification and characterization of host specificity factors of a lethal human influenza H5N1 isolate
title: Identification and characterization of host specificity factors of a lethal human influenza H5N1 isolate
title: Identifikation und Charakterisierung von Faktoren der Wirtsspezifität eines Influenza H5N1 Isolates einer letalen humanen Infektion
Creators: name: Mänz, Benjamin
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Grippe
Influenza-A-Virus
Medizin, Gesundheit
Influenzaviren
H5N1
Influenza
Anpassung
human
adaptation
Wirtsspezifität
pathogenicity
Vogelgrippe

description: Influenza A viruses are major human
      and avian pathogens. Despite a species barrier, subtypes of
      influenza A can transmit from the avian reservoir to humans
      and widely spread in the population. Since H5N1 viruses
      circulate in the avian reservoir and cause high lethality
      rates when transmitted to humans, infections with the H5N1
      subtype pose an ongoing threat. Although human-to-human
      transmission is a rare event, rapid evolution of the virus
      might result in a strain, which gains the ability to spread
      in the human population, leading to high morbidity and
      mortality. Advanced surveillance by understanding the
      mechanisms by which influenza viruses acquire the ability to
      cross the species barrier from birds to humans and new
      strategies to improve current vaccines are needed to control
      future pandemics. In this study, the fatal human case isolate
      A/Thailand/1(KAN-1)/2004 (H5N1) (KAN-1) was analyzed to
      examine mechanisms of H5N1 viruses to overcome host range
      restriction. • We were able to identify an adaptive mutation
      in KAN-1 hemagglutinin (HA). A polymorphism leading to an
      amino acid change in the HA that was previously reported to
      be positively selected during replication in humans altered
      the organ tropism of KAN- 1 in mice and ferrets. In the mouse
      model we found an increased replication of the selected
      variant in the lung. • In a genetic analysis of the KAN-1
      virus, we identified further mutations crucial for adaptation
      to the mammalian host. Interestingly, the KAN-1 polymerase
      was poorly adapted to human cells, in contrast to other H5N1
      viruses isolated from humans. We identified the NEP protein
      as a new pathogenicity factor of H5N1 viruses in humans,
      which is able to overcome this incomplete adaptation of the
      KAN-1 and avian H5N1 polymerases in human cells. Furthermore,
      functional studies revealed that the restriction of avian
      influenza polymerases in mammals is due to a general defect
      in RNA-replication and not transcription. • Since the human
      MxA GTPase is an important factor in the immune response
      against influenza viruses, we analyzed its antiviral activity
      against KAN-1. KAN-1 proved to be sensitive, while an isolate
      of the 2009 pandemic was relatively resistant to MxA. We were
      able to determine the viral nucleoprotein (NP) as the
      determinant for MxA sensitivity in vitro and in vivo. In
      addition, we identified mutations in NP responsible for
      resistance against MxA and could draw conclusions about the
      evolution of NP. • Based on our knowledge about
      protein-protein interactions in the polymerase complex, we
      developed a new strategy to create polymerase assembly
      mutants as a basis for live attenuated vaccines against H5N1.
      Vaccination of mice with these mutants showed protection
      against homologous and heterologous challenge with lethal
      doses of H5N1 viruses including KAN-1, therefore providing
      new options for live attenuated vaccine design.
description: 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.