Metabolic reprogramming of the host cells during lymphocytic choriomeningitis virus infection

Metabolic reprogramming of the host cells during lymphocytic choriomeningitis virus infection

Celkové hodnotenie

Vedecká práca
100%
Prevedenie (dizajn)
100%
Diskusná interakcia
100%
PoužívateľVedecká prácaDizajnDiskusná interakcia
Mgr. Eva Kocianová100%100%100%
Bc. Soňa Bálintová100%100%-
Tereza Goliaš100%100%100%
Mgr. Dalibor Novokmet100%100%100%
Bc. Miloslav Zloh100%100%100%
Stanislava Džačovská100%100%-
PharmDr. Štefan Husár PhD.100%100%100%
Veronika Pálková100%100%100%
Mgr. Samuel Krčmárik100%100%100%
Veronika Letková100%100%100%
Bc. Sabína Ondirková100%100%100%
Mgr. Adam Achs100%100%100%
Mgr. Dominik Kostoláni100%100%100%
Mgr. Peter Alaxin100%100%100%
Bc. Simona Antlová100%100%100%
Bc. Zuzana Hradská100%100%100%
Miroslav Ferko100%100%100%
MUDr. Mgr. Vladimír Šišovský PhD.100%100%100%
ISBN: 978-80-972360-6-9

Metabolic reprogramming of the host cells during lymphocytic choriomeningitis virus infection

Lucia Baďurová1 , Božena Omasta2 , Ingrid Ovečková3 , Katarína Polčicová , Jana Tomášková ,
1 Department of Genetics, Faculty of Natural Sciences, Comenius University in Bratislava, Slovakia
2 Department of Microbiology and Virology, Faculty of Natural Sciences, Comenius University in Bratislava, Slovakia
3 Department of Virus Ecology, Institute of Virology, Biomedical Research Center of the Slovak Academy of Sciences, Slovakia
luci.badurova@gmail.com

Viruses, as obligate intracellular parasites, are solely dependent on the metabolic machinery of their host cells. To ensure an optimal environment for their replication, many viruses have developed different strategies how to modulate the cellular metabolic pathways. Moreover, the alterations of cellular metabolism during virus infection often resemble metabolic reprogramming in cancer cells. Both conditions often stimulate the uptake of extracellular nutrients and predominantly modulate glucose, glutamine and fatty acid metabolism.

The interaction between the metabolism of the host cells and arenavirus infection remains unclear. Our study shed light on these processes during lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) infection that is a model representative of the Arenaviridae family. The main objectives of the present study were as follows: (i) the gene expression analysis of transporters and enzymes involved in glucose and glutamine metabolism during distinct stages of acute LCMV infection; (ii) monitoring the effect of glucose or glutamine deficiency on the infectious virion production; (iii) determining the essentiality of LCMV-induced metabolic changes by pharmacological inhibition of particular enzymes involved in glucose or glutamine utilization.

In LCMV-infected cells, we identified various alterations of glucose and glutamine metabolism at the gene expression level. Predominant changes were observed 24- and 72-hours post-infection that correspond to the viremic and post-viremic stage of LCMV infection, respectively. LCMV-infection led to increased expression of many genes, which products are involved in the glucose or glutamine uptake and in the process of glycolysis or glutaminolysis. However, depriving LCMV-infected cells of extracellular glucose or glutamine and pharmacological inhibition of the glutaminolytic pathway had no impact on the infectious virion production. Unexpectedly, we observed a significant antiviral effect of the commonly used glycolytic inhibitor 2-deoxy-D-glucose (2-DG) on LCMV propagation. Our further experiments have shown that the negative impact of 2-DG on the life cycle of LCMV is not caused by the inhibition of glycolysis but by the impairment of the viral glycoprotein precursor (GP-C) N-glycosylation. Unglycosylated GP‑C was not effectively cleaved to functional products, thus reducing LCMV infectious virion production.

Our study has highlighted several metabolic changes during LCMV infection, which will require further analysis to elucidate the precise mechanism in relation to the LCMV life cycle. Moreover, we identified a significant negative impact of 2-DG on LCMV propagation that is associated with impaired glycosylation of the viral GP-C. Since 2-DG inhibits replication of many viruses by acting on various cellular targets, it may serve as a potential candidate for a broad-spectrum antiviral therapy.

Poďakovanie: 

This project was supported by grant 2/0030/19 from the Scientific Grant Agency of the Ministry of Education, Science, Research and Sport of the Slovak Republic and Slovak Academy of Sciences.

Zdroje: 

Diskusia

Je známa závislosť aj nejakých iných vírusov na glykozylácii svojich proteínov? Dal by sa tento poznatok využiť v antivírusovej terapii?

Glykoproteíny sú vo všeobecnosti významnou štruktúrnou časťou takmer všetkých obalených vírusov. Ich funkcia je asociovaná najmä so zabezpečovaním infekčnosti viriónov (interakciou s bunkovými receptormi), u mnohých vírusov sú potrebné na funkčnú výstavbu vírusových častíc a v niektorých prípadoch dokonca slúžia ako protektívny obal chrániaci vírusové častice pred rozpoznaním imunitným systémom. Z tohto dôvodu bolo u širokej škály vírusov preukázané, že inhibícia procesu N-glykozylácie vírusových glykoproteínov významne narúša niektoré zo spomenutých funkcií. Ako inhibítory N-glykozylácie sú najčastejšie testované analógy glukózy a manózy, či látky z rodiny nukleozidových antibiotík (tunikamycín). Tunikamycín sa ukázal ako efektívny antivírusový agens, ktorý je však relatívne toxický in vivo, čo obmedzuje jeho použitie v klinickej praxi. V našom projekte sme testovali účinok 2-deoxy-D-glukózy (2-DG), ktorá je simultánnym analógom glukózy i manózy. Jej antivírusový účinok bol zaznamenaný v súvislosti s mnohými DNA i RNA vírusmi. Táto látka je zaujímavá najmä kvôli tomu, že okrem N-glykozylácie proteínov inhibuje i proces glykolýzy, a preto je často testovaná v súvislosti s protinádorovou terapiou. Hoci zatiaľ nie je používaná v klinickej praxi, bola zapojená do viacerých klinických štúdií zameraných na liečbu onkologických ochorení. Tunikamycín a 2-DG sú inhibítory iniciálnych štádií výstavby dolichol-viazaných oligosacharidov určených na N-glykozyláciu proteínov. Okrem tohto štádia sú v súvislosti s antivírusovým účinkom analyzované i iné stupne inhibície procesu N-glykozylácie. Jedným z nich je využitie iminocukrov, ktoré inhibujú glukozidázy, enzýmy potrebné pre správny folding syntetizovaných glykoproteínov, a tým narúšajú maturáciu infekčných viriónov. Antivírusový účinok iminocukrov alebo ich derivátov bol taktiež preukázaný u viacerých predstaviteľov DNA aj RNA vírusov.
Treba zdôrazniť, že inhibítory N-glykozylácie proteínov nie sú selektívne pre vírusové proteíny, a preto negatívne ovplyvňujú glykozyláciu mnohých bunkových proteínov. Ich využitie v kontexte antivírusovej terapie by bolo teoreticky možné v prípade vírusov, ktoré by spôsobovali ich preferenčný príjem do infikovaných buniek. V prípade 2-DG by mohlo ísť o obalené vírusy, ktoré zároveň ovplyvňujú bunkový metabolizmus up-reguláciou glykolýzy a zvyšovaním prísunu glukózy. Do týchto buniek by sa vo zvýšenej miere dostávala i 2-DG, ktorá by okrem inhibície glykolýzy inhibovala aj N-glykozyláciu vírusových glykoproteínov. Keďže proces N-glykozylácie proteínov v infikovaných bunkách v čase virémie niekoľkonásobne presahuje bežný level glykozylácie v neinfikovaných bunkách, mohli by byť infikované bunky všeobecne náchylnejšie na prítomnosť liečiva, ktoré by však nemohlo pri danej koncentrácii pôsobiť na infikované či neinfikované bunky toxicky. Inhibítory N-glykozylácie sú teda zaujímavým prístupom širokospektrálnej antivírusovej liečby. Ich využitie však skôr osobne vidím v kombinatorickej liečbe s ďalšími antivirotickými látkami, ktoré by zacieľovali iné štádia životného cyklu vírusu.

Ďakujem za úžasnú odpoveď! :)

V tejto chvíli, keď sa pozornosť všetkých upiera hlavne na SARS-CoV-2, nevyšla ešte náhodou nejaká štúdia (aj keď nerecenzovaná), ktorá by analyzovala jeho vplyv na metabolizmus hostiteľských buniek?

V súvislosti so SARS-CoV-2 zatiaľ nebola publikovaná žiadna štúdia analyzujúca priamu interakciu medzi vírusom a hostiteľskými metabolickými dráhami, no vyšla zaujímavá proteomická štúdia, ktorej cieľom bolo identifikovať potenciálne targety antivírusovej terapie, ktoré by bolo možné využiť v liečbe ochorenia COVID-19 (Bojkova a kol., 2020). Z tejto práce sú v kontexte potenciálneho SARS-CoV-2 indukovaného remodelovania bunkového metabolizmu zaujímavé dva fakty:

1. V SARS-CoV-2 infikovaných bunkách autori identifikovali dva diferenciálne exprimované klastre proteínov. Konkrétne šlo o klaster „metabolizmus cholesterolu“, ktorého expresia bola v infikovaných bunkách znížená. Naopak, expresia proteínov druhého klastra obsahujúceho „RNA modifikačné proteíny (najmä komponenty spliceozómu)“ a proteíny „uhlíkového metabolizmu“ bola v SARS-CoV-2 infikovaných bunkách zvýšená. V súvislosti s metabolizmom uhlíka došlo v infikovaných bunkách k zvýšeniu expresie proteínov zapojených napríklad v nasledovných dráhach:
-glukózový metabolizmus,
-Krebsov cyklus,
-HIF-1 signálna dráha.

V prípade dráhy glykolýzy boli v infikovaných bunkách signifikantne up-regulované enzýmy ako napríklad: hexokináza 2 (HK2), α-enoláza (ENO1), glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza (GAPDH) či pyruvát dehydrogenáza kináza (PDK1).

Tieto výsledky by mohli naznačovať, že v infikovaných bunkách dochádza k istým zmenám na úrovni metabolizmu uhlíka, no ich presný význam v súvislosti so životným cyklom SARS-Cov-2 nebol doposiaľ analyzovaný. Nie je teda zrejmé, či ide o skutočné vírusom indukované zmeny bunkového metabolizmu nevyhnutné pre jeho optimálnu propagáciu, alebo ide iba o nešpecifickú odpoveď infikovaných buniek.

2. V tejto štúdii autori zároveň zistili, že 2-deoxy-D-glukóza (2-DG) je efektívna v inhibícii replikácie SARS-CoV-2. V koncentrácii približne 9 mM došlo k 50%-nej inhibícii replikácie SARS-CoV-2 (IC50 = 9,09 mM). Pri tejto koncentrácii 2-DG nedošlo k významnému poklesu viability testovanej bunkovej línií (Caco-2 bunková línia).

Hoci zatiaľ nebola preukázaná priama závislosť replikácie SARS-CoV-2 od využívania hostiteľských metabolických procesov, zaznamenaný výsledok v súvislosti s 2-DG by mohol naznačovať, že proces glykolýzy je esenciálny pre vírusovú replikáciu. Je dôležité poznamenať, že podobne ako povrchový GP v prípade LCMV, aj spike proteín SARS-CoV-2 je na viacerých pozíciách N-glykozylovaný, a preto môže byť za zaznamenaný antivírusový efekt 2-DG zodpovedná i inhibícia dráhy proteínovej N-glykozylácie.
Treba však dodať, že uvedená štúdia je stále v stave recenzovania a je uverejnená iba ako Preprint.

Referencie:
Bojkova, D., Klann, K., Koch, B., Widera, M., Krause, D., Ciesek, S., Cinatl, J., Münch, C. SARS-CoV-2 infected host cell proteomics reveal potential therapy targets. Preprint available at Research Square 2020 Mar 11. https://dx.doi.org/10.21203/rs.3.rs-17218/v1

Ďakujem opäť za ďalšiu fantastickú odpoveď! :)