Virus-host interactions of emerging respiratory pathogens

Respiratory virus infections are a major cause of morbidity and mortality worldwide. Decades of research have yielded many breakthroughs in our understanding of virus-host interactions, but many aspects of viral pathogenesis still remain unresolved. Vaccines and antiviral treatments have been developed, but they are imperfect or completely lacking for many viral agents. Novel emerging viruses form an additional challenge, which can only be overcome by proper preparation and quick response against these unexpected infectious threats. Understanding virus-host interactions is critical for elucidating aspects of viral pathogenesis and devising better treatment strategies against viral pathogens. Our research has focused on the virus-host interactions of two major respiratory pathogens with a recent history of outbreaks by a novel viral agent, the influenza A virus and coronavirus. Influenza A virus has plagued humankind throughout human history and continues to cause annual epidemics and occasional pandemics associated with significant mortality. NS1 protein is one of the major virulence factors of influenza A virus. It has a multitude of different interactions with host cell components that either aid viral replication or hamper the antiviral response exhibited by the host cell. These interactions are located both in the host cell nucleus and the cytoplasm, and three signals regulating the intracellular localization of NS1 protein have been identified. While the critical impact of nuclear localization signal 1 is well known, the other two localization signals have remained poorly characterized. In this work we provide a detailed description of the NS1 nuclear export signal (NES), showing that the NES region is well conserved within different influenza A strains and that certain mutations within the region cause attenuation of virus replication. Through the use of different mutant viruses, we show that the attenuated phenotype is not due to impaired localization alone, but rather involves defects in the functions of NS1. We also show that NS1 is not exported through the classical CRM1-dependent pathway and we establish the nucleolar proteins that bind NS1 and thus guide its nucleolar localization. Human coronaviruses are a major cause of the common cold. For a long time coronaviruses were thought to cause only mild upper respiratory tract infections in humans. However, this view changed with the emergence of the highly lethal SARS coronavirus in 2002 and the identification of MERS coronavirus in 2012. While the SARS outbreak was efficiently contained, MERS coronavirus continues to circulate in camels and causes repeated introductions into the human population in the Middle East. Our MERS coronavirus research concentrated on characterizing MERS infection of human macrophages and dendritic cells, two important cell types of the innate immune system. We show that MERS coronavirus does not replicate productively in these leucocytes, but a significant innate immune response is generated. Altogether this work identifies important aspects of virus-host interaction of two important respiratory pathogens. We provide new information on the mechanisms and impact of influenza A virus NS1 intracellular localization and we characterize MERS coronavirus infection in primary human leucocytes as well as highlight important differences in the host cell responses between MERS and SARS coronaviruses. Hengitystievirusten aiheuttamat infektiot ovat maailmanlaajuisesti merkittävä sairastavuutta ja kuolleisuutta aiheuttava haaste kansanterveydelle. Vuosikymmenten tutkimustyö on tuottanut lukuisia läpimurtoja hengitystievirusinfektioiden mekanismien tuntemuksessa, mutta monet virusten taudinaiheutuskyvyn piirteet ovat yhä epäselviä. Rokotusten ja antiviraaliyhdisteiden kehitykseen suunnatut ponnistelut ovat tuottaneet lukuisia rokotteita ja lääkkeitä hengitystieviruksia vastaan, mutta ne ovat usein suojausteholtaan puutteellisia tai puuttuvat kokonaan tiettyjä virusryhmiä vastaan. Erilaisista eläinperäisistä lähteistä ilmaantuvat uudenlaiset virukset muodostavat erityisen uhkan, johon varautuminen edellyttää valmistautumista sekä valmiutta nopeisiin vastatoimiin. Viruksen ja isäntäsolun välisten vuorovaikutusten ymmärtäminen on keskeisessä asemassa kehitettäessä uusia parempia hoitomenetelmiä sekä valmistauduttaessa uusiin virusuhkiin. Viruksen ja isäntäsolun vuorovaikutuksiin keskittyvä tutkimuksemme käsittelee kahta merkittävää hengitystievirusta, influenssa A -virusta sekä MERS-koronavirusta. Jo antiikin ajoista lähtien ihmiskunnan vitsauksena ollut influenssa A -virus aiheuttaa vuosittaisia talviaikaan sijoittuvia epidemioita sekä ajoittaisia maailmanlaajuisia pandemioita. NS1-proteiini on merkittävä influenssa A -viruksen virulenssitekijä, jolla on lukuisia infektiota edistäviä tai isäntäsolun immuunivastetta estäviä vuorovaikutuksia isäntäsolun proteiinien kanssa. Nämä vuorovaikutukset sijoittuvat sekä tumaan että solulimaan. NS1-proteiinista on tunnistettu kolme solunsisäistä paikantumista ohjaavaa signaalia, joista yhden tiedetään olevan tärkeä virusinfektiolle, mutta kahden muun merkitys on jäänyt epäselväksi. Tässä työssä luomme seikkaperäisen kuvauksen NS1-proteiinin tumasta solulimaan kulkeutumisen välittävän signaalin toiminnasta. Näytämme että kyseinen paikantumissignaali on hyvin säilynyt eri viruskantojen välillä ja osoitamme, että tietyt signaaliin kohdistuvat mutaatiot aiheuttavat viruksen replikaatiokyvyn huomattavan heikentymisen. Osoitamme erilaisten mutanttivirusten avulla, että heikentynyt fenotyyppi ei johdu ainoastaan NS1-proteiinin virheellisestä paikantumisesta, vaan aiheutuu NS1-proteiinin toiminnallisista vioista. Osoitamme myös, että NS1-proteiinin kulkeutuminen tumasta solulimaan ei ole CRM1-välitteinen, sekä tunnistamme NS1-proteiinin kanssa vuorovaikuttavat tumajyväsproteiinit. Koronavirukset tunnetaan merkittävinä flunssan aiheuttajina ja niitä pidettiin pitkään lähinnä lievien hengitystieinfektioiden aiheuttajina ihmisissä, mutta tämä näkemys on muuttunut merkittävää kuolleisuutta aiheuttaneiden SARS- ja MERS-epidemioiden myötä. SARS-koronavirus ilmaantui vuonna 2002 ja saatiin nopeasti taltutettua, mutta vuonna 2012 havaittu MERS-koronavirus kiertää yhä kameleissa aiheuttaen toistuvia ihmisinfektioita Lähi-Idässä. MERS-koronavirusta käsittelevä osa työstämme keskittyi analysoimaan MERS-koronaviruksen vuorovaikutusta ihmisen makrofagien ja dendriittisolujen kanssa. Osoitamme, että MERS-koronavirusinfektio ei johda merkittävään virusreplikaatioon näissä soluissa, mutta huomattava immuunivaste syntyy siitä huolimatta. Kaiken kaikkiaan työmme tuo ilmi tärkeitä piirteitä näiden merkittävien hengitystievirusten vuorovaikutussuhteista isäntäsolujen kanssa. Tuotamme uutta tietoa influenssa A -viruksen NS1-proteiinin solunsisäisen paikantumisen mekanismeista ja merkityksestä sekä analysoimme MERS-koronavirusinfektion piirteet ihmisen valkosoluissa korostaen samalla MERS- ja SARS-koronavirusten välisiä eroja