Cellular and viral factors promoting efficient enterovirus uncoating and replication

Abstract

Enteroviruses are small non-enveloped RNA viruses, which belong to the family of picornaviruses. Although most of the diseases that enteroviruses cause are symptomless or mild, enteroviruses are the most common viruses infecting humans. In addition, enteroviruses can cause more severe diseases such as encephalitis or myocarditis. Despite their prevalence, there are no antivirals on the market against these viruses, and vaccines have been developed only against couple of serotypes. For antiviral development, it is crucial to obtain detailed information about factors that contribute to efficient infection. Thus, this thesis focuses on viral and host cell factors that promote the infection of enterovirus B species after cell entry. In the first study, we characterized a new echovirus 1 particle during infection, likely a novel form of an uncoating intermediate. This particle was more open compared to the native virus, but still contained VP4 protein, and was able to bind to a receptor and cause infection. The second part of the thesis focused on steps after RNA release, namely translation and replication. First, we showed that in addition to viral proteases, cellular calpain proteases can cleave structural proteins from the enteroviral polyprotein, suggesting that calpains might contribute to proteolytic processing during infection. This was shown in an in-vitro study, where calpains released capsid proteins from the P1 precursor. Second, we showed that translation of enteroviral proteins induced the rearrangement of cellular intermediate filament, vimentin. Vimentin cages associated with components of endoplasmic reticulum and Golgi, as well as with replicating viral RNA and non-structural, but not structural proteins. Furthermore, inhibition of vimentin dynamics resulted in lower production of the non-structural compared to structural proteins, indicating that enteroviral proteins can be produced differently, depending on their association with vimentin cages. Keywords: Calpain; enterovirus; polyprotein processing; replication; translation; uncoating; vimentin

Enterovirukset ovat pieniä vaipattomia RNA viruksia, jotka kuuluvat pikornaviruksiin. Vaikka enterovirukset useimmiten aiheuttavat oireettomia tai lieviä tauteja, ne ovat myös yleisin ihmisiä infektoiva virusryhmä. Lisäksi joissakin tapauksissa enterovirukset voivat aiheuttaa myös vakavampia tauteja kuten enkefaliittia tai myokardiittia. Vaikka enterovirusinfektiot ovat yleisiä, näitä viruksia vastaan ei ole lääkitystä ja rokote on kehitetty ainoastaan muutamalle serotyypille. Viruslääkkeiden kehittelyn tärkein lähtökohta on ymmärtää tehokkaaseen infektioon vaikuttavat tekijät yksityiskohtaisesti. Niinpä tässä väitöskirjassa keskityttiin tutkimaan virus- ja solutekijöitä, jotka edistävät tehokasta enterovirus B -lajin infektiota sisäänmenovaiheen jälkeen. Ensimmäisessä osatyössä kuvailimme uuden echovirus 1 partikkelin, joka todennäköisesti on välimuotopartikkeli, joka syntyy infektion aikana viruksen avautuessa. Tämä partikkeli oli rakenteeltaan avonaisempi verrattuna natiiviin virukseen, mutta sisälsi kuitenkin VP4 proteiinin, pystyi sitoutumaan reseptoriin ja aiheutti infektion soluissa. Seuraavissa osatöissä keskityimme infektiovaiheisiin RNA:n vapautumisen jälkeen, translaatioon ja replikaatioon. Ensiksi osoitimme in-vitro kokeilla, että viruksen omien proteaasien lisäksi myös solun kalpaiinit pystyivät prosessoimaan enteroviruksen polyproteiinia alueelta, joka sisälsi viruksen rakenneproteiinit. Seuraavaksi osoitimme, että virusproteiinien translaatio sai aikaan muutoksia solun välimuotoisia säikeitä muodostavassa vimentiiniproteiinissa. Syntyneeseen vimentiinihäkkiin kertyi solun endoplasmakalvoston ja Golgin laitteen rakenteita, sekä viruksen RNA ja ei-rakenteelliset proteiinit, mutta ei rakenneproteiineja. Lisäksi vimentiinihäkin muodostumisen estäminen johti ei-rakenteellisten proteiinien heikompaan tuottoon verrattuna rakenneproteiineihin, mikä osoitti, että vimentiinirakenne on tärkeä tiettyjen enteroviruksen proteiinien tuotossa. Avainsanat: Enterovirus; kalpaiini; polyproteiinin prosessointi; replikaatio; translaatio, vimentiini, viruksen avautuminen