Arthritogenic alphaviruses such as Chikungunya virus (CHIKV) and Mayaro virus (MAYV) are mosquito-transmitted, positive-strand RNA viruses, which have caused outbreaks with millions of patients involved and are increasingly emerging in non-endemic regions as climate change fosters the expansion of vector ranges. The infection causes an acute febrile illness and a devastating polyarthralgia, which can progress into a chronic disease. The symptoms are thought to be caused by a deregulated immune response, which has characteristics similar to rheumatoid arthritis (RA), but remains mostly uncharacterized. Here, we established a comprehensive profile of ex vivo CHIKV-infected primary synovial fibroblasts prepared from knee tissue biopsies of healthy and osteoarthritic human donors. This cell type is a prime target for CHIKV in vivo and contributes to the pathogenesis of RA. The cells were found to be susceptible and permissive for an infection with CHIKV and MAYV, which in turn induced the expression of antiviral genes and proteins restricting the infection in JAK/STAT pathway-dependent manner. Bulk RNA-seq data showed an exceptionally high induction of innate immunity and proinflammatory response genes, surpassing the response induced in immortalized cell lines. Analyzing the expression of the viral genome in infected cells, an excess of subgenomic RNA over full-length genomic RNA was observed. Type I interferons were secreted upon infection and provided protection against infection when added exogenously. After the highest expression of antiviral proteins was detected in cells in which virus-encoded reporter protein was absent, we performed single-cell RNA-seq to determine differential responses in cells bearing low and high amounts of viral RNA. In line with previous results, immune responses were most pronounced in cells with low-to-intermediate quantities of viral RNA and in RNA-negative bystander cells. A correlational analysis of host gene expression with viral RNA quantity argued for an active antagonistic mechanism, which is only functional when viral proteins are expressed in sufficient quantities. In summary, ex vivo-infected fibroblasts are a suitable model to study the immunopathophysiology of CHIKV infections and may enhance our understanding of the interplay between resident joint cells and immune cells. Furthermore, the in-depth analysis of immune responses in combination with the intracellular viral RNA level provides a novel view on the relationship between the progression of the viral replication, cell-intrinsic immune responses, and viral antagonism. This might help us to understand the determinants and the underlying mechanisms of chronic disease.
Arthritogene Alphaviren wie das Chikungunya-Virus (CHIKV) und das Mayaro-Virus (MAYV) sind von Stechmücken übertragene Positivstrang-RNA-Viren, die Ausbrüche mit Millionen von Patienten verursacht haben und zunehmend in nicht endemischen Regionen auftreten, da der Klimawandel die Ausbreitung der Überträger begünstigt. Die Infektion verursacht eine akute, fiebrige Erkrankung und eine schmerzhafte Polyarthralgie, die im Verlauf chronisch werden kann. Es wird angenommen, dass die Symptome durch eine deregulierte Immunreaktion verursacht werden, die Ähnlichkeit zur rheumatoiden Arthritis (RA) aufweist. In dieser Studie haben wir ex vivo CHIKV-infizierte primäre synoviale Fibroblasten, die aus den Knien gesunder und an Osteoarthrose leidender menschlicher Spender gewonnen wurden, charakterisiert. Synoviale Fibroblasten werden von CHIKV in vivo infiziert und tragen bekanntermaßen zur Pathogenese von RA bei. Die extrahierten Zellen waren suszeptibel und permissiv für eine Infektion mit CHIKV und MAYV. Die Infektion induzierte die Expression von antiviralen Genen und Proteinen, welche vor allem JAK/STAT-vermittelt die weitere Verbreitung der Infektion einschränkten. Durch RNA-Sequenzierung konnte eine außergewöhnlich ausgeprägte Immunantwort nachgewiesen werden, welche die in immortalisierten Zelllinien induzierte Reaktion übertraf. Bei Infektion wurden Typ I Interferone sekretiert, welche auch nach exogener Zugabe die Infektion auch funktional inhibieren konnte. Bei der Untersuchung antiviraler Proteine konnten wir die höchste Expression in Zellen ohne virales Reporterprotein festgestellt. Daher wurde eine Einzelzell-RNA-Sequenzierung durchgeführt, um unterschiedliche Reaktionen in Zellen mit geringen und hohen Mengen viraler RNA zu bestimmen. Die Immunreaktion war in Zellen mit geringen bis mittleren Mengen an viraler RNA und in RNA-negativen Bystander-Zellen am stärksten ausgeprägt. Durch Korrelation der humanen Genexpression mit der Menge viraler RNA pro Zelle wurden Hinweise auf einen aktiver antagonistischen Mechanismus gefunden, der nur bei ausreichender viraler Proteinexpression erfolgreich ist. Zusammenfassend zeigt sich, dass ex vivo infizierte Fibroblasten ein geeignetes Modell sind, um die Immunpathophysiologie von CHIKV-Infektionen zu untersuchen, und dass sie unser Verständnis des Zusammenspiels zwischen residenten Zellen und Immunzellen im Gelenk verbessern können. Darüber hinaus bietet die eingehende Analyse der Immunreaktionen in Kombination mit der intrazellulären viralen RNA einen neuen Blick auf die Beziehung zwischen dem Fortschreiten der viralen Replikation, zelleigenen Immunreaktionen und dem viralen Antagonismus. Dies könnte uns helfen, die zugrunde liegenden Mechanismen der chronischen Krankheit zu verstehen.
