Prävention von Cap-Snatch: ein neuartiger Ansatz zur Bekämpfung von Influenzaviren

Signal Transduction and Targeted Therapy Band 8, Artikelnummer: 193 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Eine kürzlich in Science1 von Tsukamoto und Kollegen veröffentlichte Studie zeigt, dass ein Derivat von Tubercidin, einem Naturprodukt aus Streptomyces, Influenza-A- und -B-Viren (IAV bzw. IBV) selektiv hemmt. Die Verbindung zielt auf die Wirts-RNA-Methyltransferase MTr1 ab und verhindert so das virale „Cap Snatching“ (Abb. 1). Diese Ergebnisse können dazu beitragen, neuartige Medikamente zu entwickeln, die auf virale Wirtsabhängigkeitsfaktoren abzielen und daher weniger wahrscheinlich eine Virusresistenz induzieren.

Der MTr1-Inhibitor TFTM verhindert das Cap-Snatching von IAV und IBV und schränkt somit die Virusreplikation ein. 5'cap0-mRNAs des Wirts werden durch die zelluläre Cap-spezifische mRNA (Nukleosid-2'-O-)-Methyltransferase 1 (MTr1) zu cap1-mRNAs gereift. Der IAV/IBV-Viruspolymerasekomplex PB2/PA/PB1 erkennt selektiv MTr1-modifizierte cap1-Strukturen, spaltet sie von der zellulären mRNA ab und nutzt sie als Primer für die Synthese viraler mRNAs („cap-snatching“). Die getarnten viralen mRNAs werden dann leicht in virale Proteine ​​übersetzt, um schließlich die virale Nachkommenschaft zu fördern. Trifluormethyltubericin (TFMT) hemmt MTr1 und verhindert so das Cap-Snatching durch IAV und IBV und hemmt die Virusreplikation

Influenza stellt nach wie vor eine globale Gesundheitsbedrohung dar, von der Millionen Menschen betroffen sind und die jedes Jahr Hunderttausende Todesfälle verursacht. Trotz laufender Überwachung ist es unmöglich vorherzusagen, welche zoonotischen Virusstämme auftreten könnten, und die Wirksamkeit des Impfstoffs bei der Vorbeugung von Krankheiten beträgt typischerweise nur etwa 40–60 %. Medikamente, die auf die virale Neuraminidase (NA) oder den Ionenkanal (M2) abzielen, wurden für den klinischen Einsatz zugelassen.2 Allerdings entwickeln sich Influenzaviren schnell (Antigendrift)2 und viele zirkulierende IAV- und IBV-Stämme sind gegen bestehende Therapeutika resistent. Daher besteht ein dringender Bedarf an neuen Therapiestrategien gegen Influenza. Darüber hinaus kann die Koinfektion von Vögeln, Schweinen oder Menschen, die mit verschiedenen IAV-Stämmen infiziert sind, zu einer Neuordnung der Gene (Antigenverschiebung) führen, was zur Entstehung neuer Virusstämme führt, die gegen bestehende prophylaktische und therapeutische Maßnahmen resistent sind. Obwohl eine Antigenverschiebung selten vorkommt, können ihre Auswirkungen verheerend sein, wie die Spanische Grippepandemie von 1918 zeigt. Wichtig ist, dass Therapeutika, die auf zelluläre Faktoren abzielen, die für die Virusreplikation entscheidend sind, weniger anfällig für Virusresistenz sind.3

Zelluläre mRNAs werden zunächst 5'-terminal mit 7-Methylguanosin oder 2,2,7-Trimethylguanosin (cap0) verschlossen und anschließend am ersten Nukleotid durch die 2′-O-Ribose-Methyltransferase 1 (MTr1) des zellulären Wirts methyliert, was zu dem Ergebnis führt reife cap1-Struktur. Dies stellt die Erkennung durch das Ribosom sicher, stabilisiert die mRNA und verhindert die Erkennung durch angeborene Immunsensoren. Erfolgreiche Viren ahmen die reife cap1-Struktur ihrer viralen mRNAs nach, um eine Immunaktivierung zu vermeiden und eine effiziente Replikation sicherzustellen. Einige Viren kodieren ihre eigenen Methyltransferasen, um die 5'-Kappe zu modifizieren. Im Gegensatz dazu „stehlen“ Bunya- und Orthomyxoviren einschließlich Influenzaviren die reife cap1-Struktur aus den mRNAs der Wirtszelle (Abb. 1).4 Beim „Cap Snatching“ spaltet die virale Polymerase, die PB1, PB2 und PA enthält, reife zelluläre mRNAs stromabwärts von der 5 'cap1-Struktur und nutzt die entrissene 5'cap1-RNA als Primer für die entstehende virale mRNA. Bemerkenswert ist, dass die PB2-Untereinheit der IAV-Polymerase bereits zuvor als vielversprechendes Wirkstoffziel erkannt wurde.5 Es wurden jedoch keine Inhibitoren des zellulären MTr1-Enzyms beschrieben.

Um zu beurteilen, ob MTr1 in Wirt-Targeting-Anti-Influenza-Ansätzen genutzt werden kann, erzeugten Tsukamoto und Kollegen zunächst Zelllinien ohne MTr1-Expression.1 In diesen Zellen wurde die Replikation von IAV und IBV durch ektopische Expression funktioneller, aber nicht katalytisch inaktiver Zellen stark abgeschwächt und wiederhergestellt MTr1. Bemerkenswerterweise war nur die virale mRNA-Expression beeinträchtigt, nicht jedoch die zelluläre mRNA-Expression. MTr1 KO schränkte verschiedene IAV- und IBV-Stämme ein, hatte jedoch kaum oder gar keine Wirkung auf andere Cap-Snatching-Viren wie Influenza-D-Viren oder Bunyaviridae. Nach einem In-silico-Screening von 5597 Verbindungen und molekularen Docking-Studien unter Verwendung der MTr1-Kristallstruktur (PDB-ID: 4N49) identifizierten sie Tubercidin, ein natürlich vorkommendes Adenosin-Analogon aus Streptomyces, als mutmaßlichen Bindungspartner. In-vitro-Experimente bestätigten, dass Tubercidin MTr1 durch Wechselwirkung mit seiner S-Adenosyl-L-Methionin-Bindungstasche hemmt. Da Tubercidin zytotoxisch ist, führten die Autoren eine elegante Reihe von Experimenten mit mehr als 100 Tubercidin-verwandten Verbindungen durch, um Trifluormethyl-Tubercidin (TFMT) als wirksames antivirales Mittel zu identifizieren, das auf MTr1 abzielt und keine offensichtliche In-vitro-Toxizität aufweist.

Die Autoren zeigen, dass TFMT die Replikation verschiedener IAV- und IBV-Stämme, einschließlich saisonaler Stämme, in primären menschlichen Bronchiallungenzellen in vitro hemmt und menschliche Lungenexplantate ex vivo vor Infektionen und virusinduzierten Pathologien schützt. Obwohl TFMT in einer Mauszelllinie im Vergleich zu menschlichen Zellen (IC50 7,7 µM gegenüber 0,3 µM) weniger wirksam war, verhinderte es dennoch den durch eine IAV-Infektion verursachten Gewichtsverlust bei Mäusen und reduzierte das Ausmaß der Virusreplikation in vivo.

Die MTr1-Hemmung durch TFMT-Behandlung kann die Konzentration unreifer cap0-RNAs erhöhen, von denen bekannt ist, dass sie von RIG-I erkannt werden, um antivirale IFN-Reaktionen auszulösen. Somit kann die TFMT-Behandlung Influenzaviren durch die Induktion angeborener antiviraler Faktoren hemmen. In einer Reihe von Experimenten, bei denen es um die pharmakologische Hemmung angeborener Immunsignale und den genetischen KO von Sensoren ging, zeigten Tsukamoto und Kollegen jedoch, dass TFMT die Virusreplikation direkt durch Beeinflussung seiner Cap-Snatching-Aktivität und nicht durch Immunmodulation hemmt. Mithilfe von Strukturmodellen zeigen sie, dass das Fehlen der zusätzlichen Methylgruppe in cap1, die durch MTr1 gebunden ist, die Bindung an PB2 verhindern würde. Bemerkenswert ist, dass die Erschöpfung alternativer Methyltransferasen keinen Einfluss auf die IAV- oder IBV-Replikation hat. Daher erfordert das Cap-Snatching von IAV und IBV speziell MTr1-modifizierte Caps, nicht jedoch Caps, die von anderen Methyltransferasen verarbeitet werden. TFMT wirkt synergistisch mit zugelassenen Anti-Influenza-Medikamenten und blieb gegen eine Baloxavir-Marboxil-resistente IAV-Mutante aktiv.

Mehrere Cap-Snatching-Viren benötigen kein MTr1 und sind Baloxavir- und Marboxil-resistent, was die Möglichkeit erhöht, dass IAV und IBV möglicherweise auch eine Resistenz gegen TFMT entwickeln können. Allerdings erforderten mutierte IAV-Konstrukte, die verschiedene Veränderungen in der Cap-Bindungsstelle von PB2 enthielten, im Allgemeinen MTr1 für die Replikation. Daher scheinen die Determinanten des Cap-Snatching konserviert zu sein, was darauf hindeutet, dass die Entwicklung einer Resistenz gegen MTr1-Inhibitoren schwierig sein könnte. Angesichts der Vielseitigkeit von IAV und IBV und alternativer Cap-Snatching-Mechanismen bei eng verwandten Viren wie dem Influenza-D-Virus kann die zukünftige Entwicklung einer Resistenz jedoch nicht ausgeschlossen werden.

Diese Studie von Tsukamoto und Kollegen zeigt eindrucksvoll, wie Grundlagenforschung zu viralen Eigenschaften auf die Entwicklung antiviraler Medikamente übertragen werden kann. Obwohl die Ergebnisse der Studie vielversprechend sind, sind einige Einschränkungen bemerkenswert. Der IC50 von TFMT ist relativ hoch und MTr1 spielt eine wichtige Rolle bei der zellulären mRNA-Reifung und der Vermeidung der Immunerkennung. Die in dieser Studie analysierten Mäuse erhielten die erste TFMT-Dosis innerhalb einer Stunde nach der Virusexposition und wurden nur über zwei Tage behandelt. Daher bleibt unklar, ob die TFMT-Behandlung bei längerer Dauer der menschlichen Grippebehandlung Entzündungsreaktionen hervorrufen und die zelluläre Proteinsynthese beeinflussen kann. Schließlich wird es auch wichtig sein, die Auswirkungen von TFMT unter realistischeren Bedingungen zu untersuchen, da Grippepatienten in der Regel nach Einsetzen der Symptome mit der Behandlung beginnen.

Tsukamoto, Y. et al. Die Hemmung der zellulären RNA-Methyltransferase hebt das Capping und die Replikation des Influenzavirus auf. Wissenschaft 379, 586–591 (2023).

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Die Autoren werden von der DFG (SFB 1279) sowie dem BMBF (IMMUNOMOD, Restrict-SARS-CoV-2) unterstützt.

Institut für Molekulare Virologie, Universitätsklinikum Ulm, Deutschland

Konstantin MJ Sparrer & Frank Kirchhoff

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KMJS und FK haben das Manuskript geschrieben und die Abbildung vorbereitet. Alle Autoren haben den Artikel gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Frank Kirchhoff.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sparrer, KMJ, Kirchhoff, F. Cap-Snatch-Prävention: ein neuartiger Ansatz zur Bekämpfung von Influenzaviren. Sig Transduct Target Ther 8, 193 (2023). https://doi.org/10.1038/s41392-023-01474-9

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Eingegangen: 21. März 2023

Überarbeitet: 18. April 2023

Angenommen: 24. April 2023

Veröffentlicht: 08. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41392-023-01474-9

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