German Title: Das SAT Protein des Minute Virus of Mice induziert die Zelllyse durch die Bildung von Viroporin-ähnlichen Strukturen

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Abstract

The prototype minute virus of mice (MVMp) and the H-1 virus belong to the family of Parvoviridae and can be used as oncolytic agents that infect, replicate in and kill human cancer cells. In preclinical trials the viruses were shown to be very successful to eradicate tumors in mice and rats. A phase I/IIa clinical trial with patients suffering from recurrent glioblastoma multiforme showed that parvovirus is safe to use in humans and that the therapy induces an infiltration of immune cells into the tumor tissue.

Many aspects of the parvoviral life cycle have been studied over the last decades. The entry, replication, transcription and packaging mechanisms of the virus are well understood. However, the process of the virally-induced lysis of the cell is still unknown. The viral non structural protein 1 (NS1) was suggested to have cytotoxic features but a direct lytic mechanism could not be shown. Recently, the porcine parvovirus (PPV) was found to express the short transmembrane protein SAT. Mészáros and coworkers showed that a knockout of SAT led to a reduced lytic capacity of the virus (Mészáros et al., 2017). In the current study we show that the SAT protein of MVMp is also important for the lysis of the cell. A knockout of SAT in the genome of MVMp reduced the lytic capacity of the virus and SAT-ko viruses were also found to be less infectious than the wild type virus. The sole expression of SAT induced lysis and it exceeded the lytic capacity of NS1 by multiple times. Mészáros and coworkers suspected SAT to induce an irreversible stress in the endoplasmic reticulum which eventually led to the death of the cell. However, a direct mechanism of this process could not be shown. We suspect SAT to function as a viroporin - a class of virally-encoded transmembrane proteins that oligomerise to form pores through membranes. We could show that SAT is transported to the plasma membrane where it oligomerises in multimers and makes the plasma membrane permeable to the small molecule Hygromycin B. A computer simulation of the protein confirmed that SAT oligomerises in symmetrical complexes. However, pore-like structures were not observed. Furthermore, an increase in the permeability of ions such as calcium and sodium, which is often seen for other viroporins, was not found.

In an attempt to increase the lytic capacity of MVMp we created the SUPER virus. The position of SAT was altered in the genome of SUPER in order to increase its translation. We could show that the translation of SAT was indeed increased for the SUPER virus which led to an accelerated lysis of the cells. However, the production of the SUPER virus was not very efficient. In order to increase the production of SUPER, we constructed shRNA constructs to knockdown SAT. Although the production of SAT was decreased, this approach did not increase the production of the virus. Nevertheless, the SUPER virus could be a promising candidate for the therapy with oncolytic parvoviruses. We suspect its increased lytic potential to release tumor antigens more efficiently compared to the lytic potential of the wild type virus. The released tumor antigens are suspected to stimulate cells of the immune system such as dendritic cells and cytotoxic T-cells in order to recognise and attack non-infected tumor cells.

Translation of abstract (German)

Das prototypische Minute virus of mice (MVMp) und das H-1 virus gehören der Familie der Parvoviridae an und können als onkolytische Agenzien eingesetzt werden, die humane Krebszellen infizieren, in ihnen replizieren und sie zerstören. In präklinischen Versuchen wurde gezeigt, dass das Virus mit großem Erfolg Tumore in der Maus und der Ratte zerstören kann. Eine klinische Phase I/IIa Studie, in der Patienten behandelt wurden, die an wiederkehrendem Glioblastoma multiforme litten, hat gezeigt, dass das Parvovirus sicher für den Einsatz am Menschen ist und dass die Therapie zu einem Influx von Immunzellen in das Tumorgewebe führt.

Viele Aspekte des parvoviralen Lebenszyklus wurden in den letzten Jahrzehnten erforscht. Die Prozesse der Aufnahme, der Replikation, der Transkription und des Verpackens von Nachkommenviren sind gut verstanden. Allerdings ist der Prozess der virus-induzierten Zelllyse noch nicht gut erforscht. Es wurde vermutet, dass das virale Nicht-strukturprotein 1 (NS1) zytotoxische Eigenschaften hat. Allerdings konnte ein direkter lytischer Mechanismus nicht gezeigt werden. Vor kurzem wurde entdeckt, dass das porcine Parvovirus (PPV) das kurze Transmembranprotein SAT exprimiert. Mészáros und seine Mitarbeiter zeigten, dass ein Knockout von SAT eine geringe lytische Kapazität des Virus zur Folge hatte (Mészáros et al., 2017). In der hier vorliegenden Studie haben wir gezeigt, dass auch im MVMp das SAT Protein wichtig für die Lyse ist. Ein knockout von SAT im Genom von MVMp reduzierte die lytische Kapazität des Virus und SAT-ko Viren waren weniger infektiös als wildtypische Viren. Die alleinige Expression von SAT induzierte die Lyse und die lytische Kapazität von SAT war um ein Vielfaches größer als die von NS1. Mészáros und seine Mitarbeiter vermuteten, dass SAT einen irreversiblen Stress im endoplasmatischen Reticulum induzieren würde, was letztendlich zum Tod der Zelle führen würde. Allerdings konnte ein direkter Mechanismus dieses Prozesses nicht gezeigt werden. Wir vermuten, dass SAT als ein Viroporin funktioniert - eine Klasse von viralen Transmembranproteinen, die oligomerisieren und Poren in Membranen bilden. Wir konnten zeigen, dass SAT an die Plasmamembran transportiert wird, dort in Multimere oligomerisiert und die Plasmamembran durchlässig für das kleine Molekül Hygromycin B macht. Eine Computersimulation bestätigte die Oligomerisierung von SAT in symmetrische Komplexe. Allerdings wurden keine poren-ähnlichen Strukturen beobachtet. Eine erhöhte Permeabilität für Calcium- und Natriumionen, wie sie bei anderen Viroporine oft beobachtet wurde, wurde ebenfalls nicht gefunden.

Um die lytische Kapazität von MVMp zu erhöhen, entwickelten wir das SUPER Virus. Die Position von SAT wurde im Genom von SUPER verändert, um die Translation von SAT zu erhöhen. Wir konnten zeigen, dass die Translation von SAT im SUPER Virus erhöht war, was zu einer beschleunigten Lyse der Zellen führte. Allerdings war die Produktion des Virus nicht sehr effizient. Um die Produktion von SUPER zu verbessern, wurden shRNA-Konstrukte angefertigt, um einen knockdown von SAT hervorzurufen. Obwohl die Produktion von SAT dadurch verringert wurde, konnte dieser Ansatz die Produktion des Virus nicht verbessern. Nichtsdestotrotz könnte das SUPER Virus ein vielversprechender Kandidat für die Therapie mit onkolytischen Parvoviren sein. Wir vermuten, dass das gesteigerte lytische Potential eine effizientere Freisetzung von Tumorantigenen zur Folge hat, verglichen mit dem lytischen Potential des wildtypischen Virus. Die freigesetzten Tumorantigene könnten Zellen des Immunsystem, wie dendritische Zellen und zytotoxische T-Zellen, aktivieren, um nicht-infizierte Tumorzellen zu erkennen und anzugreifen.