From endosomes onwards : membranes, lysosomes and viral capsid interactions

Abstract

Kirsi Pakkanen haki väitöstutkimuksessaan monitieteellisen lähestymistavan avulla uusia näkökulmia virustutkimukseen. Tutkimus tuo uutta tietoa lipidikalvojen merkityksestä viruksen ja viruksen isäntäsolun elämässä. Tutkimuksessa selvisi, että koiran parvovirus, jota tutkimuksessa käytettiin mallina parvoviruksille ja yleisemmin vaipattomille viruksille, tarvitsee tietynlaisia isäntäsolun lipidikalvojen ominaisuuksia voidakseen vapautua solunsisäisten endosomirakkuloiden sisältä. Erityisen tärkeää tässä vapautumisessa näytti olevan kalvojen juoksevuus sekä jäykkien alueiden hallittu järjestäytyminen kolesterolin avulla. Hyödyntämällä molekyylejä, lääkeaineita, jotka muuttavat kolesteroliavusteista kalvon järjestäytymistä, voidaan estää virusta infektoimasta solua. Tällöin virus ei pääse vapautumaan solunsisäisistä rakkularakenteista eikä siten pääse solun tumaan, jossa infektio tapahtuisi. Solunsisäisten kalvojen ominaisuuksien muokkaaminen patogeeneille epäsuotuisaksi on tuore näkökanta viruslääkkeiden kehittelyyn, sillä tyypillisesti lääkeaineet ovat keskittyneet toimimaan proteiinien tasolla, esimerkiksi estämällä viruksen entsyymien toimintaa. Pakkasen tutkimuksessa erityisen huomion kohteena oli mielialalääke desipramiini. Jo käytössä olevana lääkkeenä desipramiini oli mielenkiintoinen kohde kalvovuorovaikutusten tutkimiseen sekä hyvä kandidaatti mahdolliseksi kalvoihin kohdistuvaksi virusinfektion estäjäksi. Desipramiinin havaittiin estävän virusinfektiota soluviljelmässä. Tarkoissa, tietokonemallinnukseen perustuvissa atomitason tutkimuksissa desipramiinin nähtiin muuttavan lipidikalvojen järjestyneisyyttävirukselle epäsuotuisaan suuntaan.Lisäksi Pakkanen selvitti mm. kuinka lipidikalvon koostumus ja koostumuksen säätelemät kalvon ominaisuudet voivat osallistua lisäämään solunsisäisten rakkuloiden, lysosomien, kestokykyä ja vähentämään kalvojen läpäisevyyttä. Triglyseridien läsnäolon yksinkertaisessa mallikalvosysteemissä havaittiin muuttavan dramaattisesti kalvon fysikaalisia ominaisuuksia, kuten esimerkiksi kalvon polaarisuutta ja veden pääsyä kalvon yläpinnan molekyylien tasolle. Väitöskirjatutkimukseen kuuluu viisi osatyötä, jotka muodostavat laajan monitieteellisen kokonaisuuden ja joissa hyödynnetään niin solubiologisia, biokemiallisia kuin biofysikaalisiakin menetelmiä.

Understanding cellular functions and behaviour of biological membranes is essential in effort to understand the elaborate schemes pathogens such as viruses use to invade their host cells. In this thesis membrane interactions important for the entry of canine parvovirus (CPV), a model virus representing parvoviruses and non-enveloped viruses in general, were elucidated. Cholesterol-driven organisation of membranes was found to be important for the viral entry and without proper cholesterol-facilitated membrane organisation trafficking of the virus was impaired at the endosomal level and the infection inhibited. Desipramine, a tricyclic antidepressant, was found to inhibit CPV entry, which makes it an interesting candidate for an antiviral agent. In computational simulation studies desipramine was found to disintegrate cholesterol-based ordered regions in membranes. Elucidation of the properties of endosomal and lysosomal membranes has clear biomedical significance, both from the point of view of hindering the progression of pathogens in cells and in understanding inherent pathological processes such as hereditary diseases concerning lysosomes. The role of triglycerides in lysosomal membranes was studied in a model system. Triglycerides were found to cause significant differences in the polarity and water accessibility in the membrane. These could contribute to the barrier properties of lysosomes.