Wirtsfaktorinteraktionen beim Eintritt des Hepatitis C Virus in Leberzellen und deren inter-individuelle Modulation durch genetische und pharmakologische Faktoren

Rot-fluoreszierendes Sensor Molekül, das eine HCV-Infektion in kultivierten Leberzellen anzeigt. In nicht infizierten Zellen (oberer Teil) ist nur das Zytoplasma angefärbt. In einer infizierten Kultur (unterer Teil) färbt sich in den meisten Zellen der Zellkern – diese Zellen sind mit HCV infiziert.

Das Hepatitis C Virus verursacht eine chronische Infektion der Leber, die langfristig zur Vernarbung der Leber (Leberzirrhose), zum Leberversagen und zu Leberkrebs führen kann. Etwa 71 Millionen Menschen weltweit sind chronisch mit Hepatitis C infiziert. Heute ist die Hepatitis C zwar heilbar, allerdings wissen insbesondere in unterprivilegierten Ländern viele nichts von ihrer Infektion und haben keinen Zugang zu Therapien. Ein Impfstoff zur Prävention ist derzeit leider noch nicht erhältlich.

Klinisch zeigt sich, dass es individuelle Unterschiede im Verlauf der Hepatitis C Infektion gibt. Geschätzte 70 bis 75% der Exponierten entwickeln eine chronische Infektion. Von diesen müssen ohne therapeutischen Eingriff circa 30% mit der Entwicklung von Leberschäden rechnen, die nach 15 bis 20 Jahren auftreten. Warum Menschen unterschiedlich auf eine Hepatitis C Infektion reagieren, ist derzeit unzureichend verstanden.

Die Forschergruppen um Gisa Gerold und Thomas von Hahn untersuchen wie inter-individuelle Unterschiede die Hepatitis C Infektion beeinflussen. Hauptaugenmerk legen sie auf genetische Variationen im Menschen sowie die Behandlung mit lipidverringernden Medikamenten. Letzterem liegt zugrunde, dass das Virus stark mit dem menschlichen Lipidstoffwechsel interagiert. Die Forscher betrachten wie das Virus in Leberzellen eindringt und sich anschließend vermehrt. Bei dem Eintritt in Leberzellen, missbraucht das Virus mehrere menschliche Proteine, die auf Leberzellen als Komplex vorliegen und gleichzeitig eine zentrale Rolle im Fettstoffwechsel des Menschen spielen. Gisa Gerolds und Thomas von Hahns Teams klären, wie dieser Komplex, also die Eintrittspforte des Virus, durch genetische Varianten und den pharmakologischen Eingriff in den Lipidstoffwechsel verändert wird, was schlussendlich die Virusvermehrung und den Verlauf der chronischen Hepatitis C beeinflusst. Sie erhoffen sich aus diesen Arbeiten neue Erkenntnisse zur Funktionsweise des Hepatitis C Virus, neue diagnostische Möglichkeiten und langfristig neue therapeutische Ansatzpunkte.

Wissenschaftliche Vorgehensweise

Der HCV Replikationszyklus und der klinische Verlauf der Hepatitis C werden durch genetische und nicht-genetische Variation im Wirt moduliert. CD81, CAPN5, CBLB und SR-BI– letzterer physiologischerweise ein hepatischer Rezeptor für Lipoproteine– sind wichtige Wirtsfaktor für HCV und essenziell für den Zelleintritt des Virus. Zahlreiche genetische Varianten existieren in den Genen, die diese fünf Faktoren kodieren. Viele von diesen haben einen klinischen Phänotyp, meist in Form eines veränderten Serumlipid Profils. Die Effekte dieser Varianten auf die chronische HCV Infektion ist aber unbekannt. Inwieweit Pharmaka, die den Lipidstoffwechsel beeinflussen, die HCV Infektion modulieren, ist ebenfalls unklar. Dieses Projekt soll klären wie Variation in HCV Eintrittsfaktoren und nicht-genetische Faktoren, wie Lipid-verringernde Medikamente, den HCV Replikationszyklus und die Fähigkeit des Virus eine chronische Infektion zu etablieren und aufrecht zu erhalten beeinflussen.

Das Projekt besteht aus vier Teilen:

Bekannte kodierende nicht synonyme CD81, SR-BI Varianten werden in Zelllinien exprimiert, in denen die Expression des endogenen Faktors abgeschaltet wurde. Anschließend messen wir die Fähigkeit der Varianten als HCV Rezeptoren zu dienen mittels HCV Reporterviren und Pseudopartikeln.

Ausgewählte CD81 Varianten werden dahingehend getestet, ob sie die Interaktion mit SR-BI, CAPN5 und CBLB beeinflussen und wie eine veränderte Interaktion den HCV Zelleintritt moduliert.
In einem komplementären Ansatz untersuchen wir die Auswirkungen klinisch eingesetzter lipidsenkender Medikamente auf die HCV Infektion. Insbesondere betrachten wir das Expressionsniveau von SR-BI, LDLr und CD81, den Membran- und Zellcholesteringehalt und die HCV-Infektion von Hepatozyten in vitro und in vivo. Schließlich untersuchen wir die Viruslast und Leberentzündung bei Patienten mit chronischer Hepatitis C unter Statintherapie.
Genetische Varianten der CD81 Interaktionspartner CBLB und CAPN5 werden darauf getestet, ob sie die HCV Anfälligkeit modulieren. Anschließend charakterisieren wir ausgewählte Varianten hinsichtlich der Interaktion mit CD81 und SR-BI. Für die Charakterisierung der Multi-Protein-Komplexe nutzen wir hochauflösende quantitative Proteinanalytik.

Darstellung der Struktur des SCARB1 Gens, das den SR-BI Rezeptor kodiert. Genetische Varianten, die untersucht werden sollen, sind vermerkt.

Gisa Gerold erzählt über ihre Forschung im SFB 900

Gisa Gerold ist dem SFB in der 3. Förderperiode im Jahr 2018 beigetreten. In dem Teilprojekt C7, welches sie gemeinsam mit Thomas von Hahn leitet, geht es um den Einfluss von verschiedenen Varianten eines Gens und den pharmakologischen Eingriff in den Lipidstoffwechsel auf den Infektionsverlauf mit Hepatitis C Virus.

Thomas von Hahn erzählt über seine Forschung im SFB 900

Thomas von Hahn ist dem SFB in der 2. Förderperiode im Jahr 2014 beigetreten. In seinem Teilprojekt C7 geht es um den Einfluss von verschiedenen Genvarianten eines Gens mit einer zentralen Rolle im Fettstoffwechsel auf den Infektionsverlauf mit Hepatitis C Virus.

Publikationen des Forschungsprojektes C7

Fluvastatin mitigates SARS-CoV-2 infection in human lung cells. Zapatero-Belinchón FJ, Moeller R, Lasswitz L, van Ham M, Becker M, Brogden G, Rosendal E, Bi W, Carriquí-Madroñal B, Islam K, Lenman A, Gunesch AP, Kirui J, Pietschmann, Överby AK, Jänsch L, Gerold G. iScience. 2021 Dec 17 ;24(12):103469.
Impaired immune response mediated by prostaglandin E2 promotes severe COVID-19 disease. Ricke-Hoch M, Stelling E, Lasswitz L, Gunesch AP, Kasten M, Zapatero-Belinchón FJ, Brogden G, Gerold G, Pietschmann T, Montiel V, Balligand J-L, Facciotti F, Hirsch E, Gausepohl T, Elbahesh H, Rimmelzwaan GF, Höfer A, Kühnel MP, Jonigk D, Eigendorf J, Tegtbur U, Mink L, Scherr M, Illi T, Schambach A, Pfeffer TJ, Hilfiker A, Haverich A, Hilfiker-Kleiner D. PLoS One 2021 ; 16; 8
Characterization of RNA Sensing Pathways in Hepatoma Cell Lines and Primary Human Hepatocytes. Nicolay W, Moeller R, Kahl S, Vondran FWR, Pietschmann T, Kunz S, Gerold G. Cells 2021 Nov 4 , 10, 3019.
Interdependent Impact of Lipoprotein Receptors and Lipid-Lowering Drugs on HCV Infectivity. Zapatero-Belinchón FJ, Ötjengerdes R, Sheldon J, Schulte B, Carriquí-Madroñal B, Brogden G, Arroyo-Fernández LM, Vondran FWR, Maasoumy B, von Hahn T, Gerold G.Cells. 2021 Jun 29 ;10(7):1626.
Liver-expressed Cd302 and Cr1l limit hepatitis C virus cross-species transmission to mice. Brown RJP, Tegtmeyer B, Sheldon J,Khera T Anggakusuma, Todt D, Vieyres D, Weller R, Joecks S, Zhang Y, Sake S, Bankwitz D, Welsch K, Ginkel C,Engelmann M, Gerold G, Steinmann E, Yuan Q, Ott M, Vondran FWR, Krey T, Ströh LJ, Miskey C, Ivics Z, Herder V, Baumgärtner W, Lauber C, Seifert M, Tarr AW, McClure CP, Randall G, Baktash Y, Ploss A, Dao Thi VL, Michailidis E, Saeed M, Verhoye L, Meuleman P, Goedecke N, Wirth D, Rice CM, Pietschmann T. Sci Adv. 2020 Nov ; 6(45): eabd3233.
Cholesterol sensing by CD81 is important for hepatitis C virus entry. Palor M., Stejskal L, Mandal P, Lenman A, Alberione MP, Kirui J, Moeller R, Ebner S, Meissner F, Gerold G, Shepherd AJ, Grove J. J Biol Chem. 2020 Sep 8 ;jbc.RA120.014761.
Single-nucleotide variants in human CD81 influence hepatitis C virus infection of hepatoma cells. Alberione MP, Moeller R, Kirui J, Ginkel C, Doepke M, Ströh LJ, Machtens JP, Pietschmann T, Gerold G. Med Microbiol Immunol. 2020 Apr 22 : 1–16
Quantitative proteomics of Uukuniemi virus – host cell interactions reveals GBF1 as proviral host factor for phleboviruses. Uckeley ZM*, Moeller R*, Kühn LI, Nilsson E, Robens C, Lasswitz L, Lindqvist R, Lenman A, Passos V, Voß Y, Sommerauer C, Kampmann M, Goffinet C, Meissner F, Överby AK, Lozach PY, Gerold G. *This authors contributed equally.Molecular & Cellular Proteomics 2019 September 30, mcp.RA119.001631 *This authors contributed equally.
Comparison of the Innate Immune Responses to Pathogenic and Nonpathogenic Clade B New World Arenaviruses. Moreno H, Möller R , Fedeli C , Gerold G, Kunz S. J Virol. 2019 Sep 12 ;93(19):e00148-19.
Dynamic Dystroglycan Complexes Mediate Cell Entry of Lassa Virus. Herrador A, Fedeli C , Radulovic E, Campbell KP, Moreno H, Gerold G, Kunz S. mBio. 2019 Mar 26 ;10(2):e02869-18.
Characterization of the Filovirus-Resistant Cell Line SH-SY5Y Reveals Redundant Role of Cell Surface Entry Factors. Zapatero-Belinchón FJ, Dietzel E ,Dolnik O, Döhner K, Costa R ,Hertel B, Veselkova B , Kirui J, Klintworth A, Manns MP, Pöhlmann S, Pietschmann T, Krey T, Ciesek S , Gerold G, Sodeik B , Becker S,von Hahn T. Viruses. 2019 Mar 19 ;11(3):275.
Hepatitis C virus enters liver cells using the CD81 receptor complex proteins calpain-5 and CBLB. Bruening J, Lasswitz L, Banse P, Kahl S, Marinach C, Vondran FW, Kaderali L, Silvie O, Pietschmann T, Meissner F, Gerold G. Plos Pathog. 2018 Juli;14(7):e1007111.
CD81 Receptor Regions outside the Large Extracellular Loop Determine Hepatitis C Virus Entry into Hepatoma Cells. Banse P, Moeller R, Bruening J, Lasswitz L, Kahl S, Khan AG, Marcotrigiano J, Pietschmann T, Gerold G. Viruses 2018 Apr;10(4).
A screening assay for the identification of host cell requirements and antiviral targets for hepatitis D virus infection. Buchmann B, Döhner K, Schirdewahn T, Sodeik B, Manns MP, Wedemeyer H, Ciesek S, von Hahn T. Antiviral Res. 2017 May;141:116-123.
Scavenger receptor class B member 1 (SCARB1) variants modulate hepatitis C virus replication cycle and viral load. Westhaus S, Deest M, Nguyen ATX, Stanke F, Heckl D, Costa R, Schambach A, Manns MP, Berg T, Vondran FWR, Sarrazin C, Ciesek S, von Hahn T. J Hepatol. 2017 Mar 29. pii: S0168-8278(17)30184-8.
Cyclophilin polymorphism and virus infection. von Hahn T, Ciesek S. Curr Opin Virol. 2015 Oct;14:47-9. Review.
Quantitative Proteomics Identifies Serum Response Factor Binding Protein 1 as a Host Factor for Hepatitis C Virus Entry. Gerold G, Meissner F, Bruening J, Welsch K, Perin PM, Baumert TF, Vondran FW, Kaderali L, Marcotrigiano J, Khan AG, Mann M, Rice CM, Pietschmann T. Cell Rep. 2015 Aug;12(5):864-78.
Primary biliary acids inhibit hepatitis D virus (HDV) entry into human hepatoma cells expressing the sodium-taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP). Veloso Alves Pereira I, Buchmann B, Sandmann L, Sprinzl K, Schlaphoff V, Döhner K, Vondran F, Sarrazin C, Manns MP, Pinto Marques Souza de Oliveira C, Sodeik B, Ciesek S, von Hahn T. PLoS One. 2015 Feb 3;10(2):e0117152.
Impact of single nucleotide polymorphisms in the essential HCV entry factor CD81 on HCV infectivity and neutralization. Deest M, Westhaus S, Steinmann E, Manns MP, von Hahn T, Ciesek S. Antiviral Res. 2014 Jan;101:37-44.
Characterization of the inhibition of hepatitis C virus entry by in vitro-generated and patient-derived oxidized low-density lipoprotein. Westhaus S, Bankwitz D, Ernst S, Rohrmann K, Wappler I, Agné C, Luchtefeld M, Schieffer B, Sarrazin C, Manns MP, Pietschmann T, Ciesek S, von Hahn T. Hepatology. 2013 May;57(5):1716-24.