German Title: Die tumorselektive Replikation des Newcastle Disease Virus ist das Ergebnis einer defekten basalen und induzierbaren Expression interferonassoziierter Proteine

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Abstract

Newcastle Disease Virus (NDV) is an avian Paramyxovirus that preferentially replicates in cancer cells and that has already been used successfully in the treatment of cancer. It has been suggested that defects in the interferon response present in many neoplastic cells make them prone to NDV infection. However, the exact mechanisms that underlie the tumour selective replication of NDV are not known. In this thesis the relation between the NDV susceptibility of cells and the basal and inducible expression of different type I interferon-related proteins was analysed. It was assessed what the differences in the interferon response were between tumour and normal cells and if these differences could explain the tumour selectivity of NDV. It could be shown that tumour cells have defects in the basal and inducible expression of several antiviral, interferon-related genes. These genes include cytosolic viral RNA receptors such as RIG-I, transcription factors such as IRF3 and IRF7, type I interferons and antiviral effector molecules such as PKR. In addition tumour cells displayed defects in the responsiveness to interferon pretreatment with regard to the induction of an antiviral state by the upregulation of antiviral genes. A statistically significant, negative correlation was found between the expression of many of the tested interferon-related genes and the susceptibility to NDV infection. Furthermore the functional significance of some of the genes for the establishment of an antiviral response could be evaluated by the analysis of gene knock out macrophages. These functional analyses revealed the crucial importance of the type I interferon receptor and to a lesser degree also of IRF3/7 for NDV resistance and interferon-related gene expression. Some tumour cells were found to be unusually resistant to NDV infection, which could be connected to an exceptionally strong expression of antiviral genes. All in all the results strongly indicate multiple defects in the interferon response of tumour cells as the cause for the tumour selective replication of NDV. There seems to be a general downregulation of the antiviral gene expression rather than defects in the expression of only a few interferon-related genes. These findings shed new light on the processes that take place in normal and tumour cells after NDV infection. In the future they might be used to improve the efficacy of cancer treatment with NDV by the prediction of the virus susceptibility of a tumour with the help of gene expression analysis before virus treatment.

Translation of abstract (German)

Das Newcastle Disease Virus (NDV) ist ein Vogelvirus das sich bevorzugt in Krebszellen repliziert und das schon erfolgreich in der Behandlung von Krebs angewendet worden ist. Es wird vermutet, dass Defekte in der Interferonantwort viele Krebszellen anfällig für NDV machen. Die genauen Mechanismen, die der tumorselektiven Vermehrung von NDV zugrunde liegen, sind jedoch noch unbekannt. In dieser Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen der Anfälligkeit von Zellen für NDV und der basalen und induzierbaren Expression verschiedener Typ I interferonabhängiger Proteine untersucht. Die Unterschiede in der Interferonantwort von normalen und bösartigen Zellen wurden analysiert und es wurde getestet, ob diese Unterschiede die Tumorselektivität von NDV erklären können. Es konnte gezeigt werden, dass Tumorzellen Defekte in der basalen und induzierbaren Expression von einigen antiviralen, interferonabhängigen Genen aufweisen. Zu diesen Genen gehören zytosolische Rezeptoren für virale RNA wie RIG-I, Transkriptionsfaktoren wie IRF3 und IRF7, Typ I Interferone und antivirale Effektormoleküle wie PKR. Darüber hinaus zeigten Tumorzellen Defekte in der Reaktion auf Interferon bezüglich der Induktion eines antiviralen Zustandes durch die Hochregulation antiviraler Gene. Zwischen der Expression vieler der getesteten antiviralen Gene und der Anfälligkeit für NDV wurde eine statistisch signifikante, negative Korrelation beobachtet. Außerdem wurde die funktionelle Bedeutung einiger Gene für die Etablierung einer Interferonantwort mit Hilfe von Knock-out Makrophagen bestimmt. Diese Analyse zeigte die herausragende Bedeutung des Typ I Interferonrezeptors und von IRF3/7 für die Resistenz gegen NDV und für die Expression interferonabhängiger Gene. Einige Tumorzellen waren ungewöhnlich resistent gegen NDV, was mit der hohen Expression von antiviralen Genen erklärt werden konnte. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse auf multiple Defekte in der Interferonantwort von Tumorzellen als Ursache für die tumorselektive Vermehrung von NDV hin. Dabei scheint es eher eine generelle Abschwächung der antiviralen Genexpression als Defekte in nur wenigen interferonabhängigen Genen zu geben. Diese Erkenntnisse erhöhen das Verständnis der Prozesse, die in normalen und bösartigen Zellen nach einer NDV-Infektion stattfinden. In der Zukunft könnte dieses Wissen die Krebsbehandlung mit NDV verbessern, indem vor einer Behandlung die Anfälligkeit des Tumors für NDV anhand der Genexpression bestimmt wird.