Changes in the regulation of cellular mRNAs and metabolism by West Nile virus

Abstract

West Nile Virus (WNV) is a widely spread neurotropic flavivirus that has emerged as one of the most common causes of encephalitis in the world. Unfortunately, there are no antiviral drugs available to treat the infection, and no candidate vaccine for humans has yet advanced past Phase II of clinical trials. In this study we investigated the effect of WNV replication on the global function of cellular RNA-binding proteins (RBPs), the mediators of post-transcriptional control. Such an effect is characterized by alterations in the RBPs’ expression levels or the acquisition of post-translational modifications that are exhibited as changes in their recruitment levels on the cellular transcripts, or as direct interactions with its genomic and subgenomic RNAs. Identification of these interactions can shed light on the mechanism of WNV induction of pathogenesis. Subgenomic flaviviral RNAs (sfRNAs) are small non-coding products of the incomplete degradation of viral genomic RNA. They accumulate during flaviviral infection and have been associated with many functional roles inside the host cell. Studies so far have demonstrated that sfRNA plays a crucial role in determining WNV pathogenicity. However, its modulatory role on neuronal homeostasis hasn’t been studied in-depth. In the second chapter of the thesis, the mechanism of sfRNA biosynthesis was also investigated, as well as its importance for WNV replication in neuronal cells. A differential expression analysis on WT and ΔsfRNA WNV replicon cell lines revealed a number of transcriptional changes that are induced by sfRNA and pointed out genes that could be tested as potential therapeutical targets. As part of this thesis, a systematic review analysis on 428 published case studies and case series was also conducted, in order to investigate symptoms, comorbidities and other parameters that are linked to WNV disease-related death. Symptoms such as altered mental status and renal problems presented increased incidence among deceased patients, while these patients presented increased cerebrospinal fluid (CSF) glucose. Pulmonary disease was also identified as a precipitating factor in West Nile virus disease as it was significantly increased amongst deceased patients. A better understanding of the pathogenicity and the reasons behind the manifestation of different clinical symptoms will assist in the more effective treatment of infected people, the reduction in the risk of an adverse outcome, and the prevention of viral spread.

Ο ιός του Δυτικού Νείλου (WNV) είναι ένας ευρέως διαδεδομένος νευροτρόπος φλαβοϊός που έχει αναδειχθεί ως μία από τις πιο κοινές αιτίες εγκεφαλίτιδας στον κόσμο. Δυστυχώς, δεν υπάρχουν μέχρι σήμερα διαθέσιμα αντι-ιικά φάρμακα που να καταπολεμούν επιτυχώς τη λοίμωξη από τον ιό του Δυτικού Νείλου, και κανένα υποψήφιο εμβόλιο για τον άνθρωπο δεν έχει προχωρήσει ακόμη πέρα από τη φάση ΙΙ των κλινικών δοκιμών. Στη μελέτη αυτή διερευνήθηκε η επίδραση της αντιγραφής του WNV στη λειτουργία των κυτταρικών πρωτεϊνών πρόσδεσης RNA (RBPs), οι οποίες ενορχηστρώνουν τη μετα-μεταγραφική ρύθμιση των κυττάρων. Η επίδραση αυτή μπορεί να χαρακτηρίζεται από αλλαγές στα επίπεδα έκφρασης των RBPs ή από την επαγωγή σε αυτές μετα-μεταφραστικών τροποποιήσεων, οι οποίες εκδηλώνονται τελικά ως αλλαγές στα επίπεδα πρόσδεσής τους στα κυτταρικά μετάγραφα (mRNAs) ή στο γενωμικό/υπογενωμικό RNA του ιού. Η ταυτοποίηση αυτών των αλληλεπιδράσεων μπορεί να ρίξει φως στον μηχανισμό επαγωγής παθογένειας από τον WNV. Τα υπογενωμικά RNA των φλαβοϊών (sfRNAs) είναι μικρά, μη κωδικοποιητικά μόρια RNA, προϊόντα της ατελούς αποικοδόμησης του γενωμικού RNA του ιού. Συσσωρεύονται κατά τη διάρκεια της μόλυνσης από φλαβοϊούς και έχουν συσχετιστεί με πολλούς λειτουργικούς ρόλους. Οι μέχρι τώρα μελέτες έχουν δείξει ότι το sfRNA παίζει καθοριστικό ρόλο στην παθογονικότητα του ιού του Δυτικού Νείλου. Ωστόσο, ο ακριβής τους ρόλος στη ρύθμιση της ομοιόστασης στα νευρικά κύτταρα δεν έχει αποσαφηνιστεί ακόμα. Στο δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής, διερευνήθηκε ο μηχανισμός της βιοσύνθεσης του sfRNA και η σημασία του για την αντιγραφή του WNV στα νευρικά κύτταρα. Ανάλυση διαφορικής γονιδιακής έκφρασης σε κυτταρικές σειρές που έφεραν το αγρίου τύπου (WT) και το μεταλλαγμένο για sfRNA (ΔsfRNA) ρεπλικόνιο του WNV αποκάλυψε έναν αριθμό μεταγραφικών αλλαγών για τους οποίους ευθύνεται το sfRNA, οι οποίοι θα μπορούσαν να αποτελέσουν μελλοντικά πιθανούς θεραπευτικούς στόχους. Ως μέρος αυτής της διατριβής, διεξήχθη επίσης μια συστηματική ανασκόπηση σε 428 δημοσιευμένες περιπτωσιολογικές μελέτες (case studies) προκειμένου να διερευνηθούν συμπτώματα, συννοσηρότητες και άλλες παράμετροι που συνδέονται με τον θάνατο που προκαλεί ο WNV. Συμπτώματα όπως μεταβολές της νοητικής κατάστασης και νεφρικά προβλήματα παρουσίαζαν αυξημένη συχνότητα εμφάνισης στην ομάδα των θανόντων. Επίσης τα άτομα αυτά παρουσίαζαν πιο συχνά αυξημένη γλυκόζη στο εγκεφαλονωτιαίο τους υγρό (ΕΝΥ). Η πνευμονική νόσος ταυτοποιήθηκε επίσης ως επιβαρυντικός παράγοντας για τη λοίμωξη από τον ιό του Δυτικού Νείλου, καθώς παρουσίαζε σημαντικά αυξημένη συχνότητα εμφάνισης στην ομάδα των θανόντων ασθενών. Καλύτερη κατανόηση της παθογονικότητας και των λόγων που οδηγούν στην εκδήλωση διαφορετικών κλινικών συμπτωμάτων, θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποτελεσματικότερη αντιμετώπιση της ασθένειας και στην ελάττωση του κινδύνου θανάτου.