Innate immune sensing and viral evasion mechanisms of HIV-1 and SARS-CoV-2

Abstract

The innate immune system is the first line of defence against invading pathogens. Pattern recognition receptors (PRRs) sense conserved pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) and initiate a signal transduction cascade that culminates in the secretion of type I interferons (IFNs), pro-inflammatory cytokines and amplification of innate immunity through autocrine and paracrine signalling. Type I IFNs are universal, antiviral cytokines that bind to the IFN-α/β-receptor (IFNAR) and induce the JAK/STAT-dependent expression of hundreds of antiviral molecules, known as IFN-stimulated genes (ISGs). Aberrantly located, cytosolic DNA is a potent activator of type I IFN responses upon detection by the cytosolic DNA sensor cyclic GMP-AMP synthase (cGAS). Upon DNA sensing, cGAS catalyses the formation of the second messenger cyclic GMP-AMP (cGAMP) that subsequently induces a STING/TBK1/IRF3-driven signalling cascade and the production of type I IFNs. Early initiation of intrinsic immunity is crucial for viral restriction, elimination of infected cells and orchestration of adaptive immunity to sufficiently control the viral infection and dampen disease progression in vivo. Consequently, multiple viruses have evolved mechanisms to counteract restrictive type I IFN immunity to facilitate continuous viral replication, e.g. through expression of antagonistic viral proteins that modulate PRR-induced signalling or the development of sophisticated replication strategies to minimize viral PAMP exposure to cellular PRRs.

This dissertation is based on my three recent publications addressing key questions in the field of innate sensing and viral evasion of HIV-1 and SARS-CoV-2 infections. The first study investigated the structural and functional consequences of the most frequent naturally occurring variant rs610913 in the cGAS-encoding gene in the context of DNA sensing upon viral infections (1). The second study carefully re-evaluates the contribution of cGAS-mediated sensing of reverse transcription products to the induction of intrinsic immunity in HIV-1-infected CD4+ T-cells, the major HIV-1 target cell in vivo (2). In the third study, the susceptibility to infection and ability to mount cell-intrinsic immunity in peripheral blood mononuclear cells upon ex vivo SARS-CoV-2 exposure were investigated and delineated to individual cell types using, among other methods, single cell RNA-sequencing (3).

Das angeborene Immunsystem ist die erste Abwehrlinie gegen eindringende Pathogene. Zelluläre Mustererkennungsrezeptoren (engl. PRRs) detektieren konservierte Pathogen assoziierte molekulare Muster (engl. PAMPs) und initiieren eine Signaltransduktionskaskade, die in der Sekretion von Typ I Interferonen (IFN) und pro inflammatorischen Zytokinen mündet, welche durch parakrine und autokrineMechanismen die Immunantwort amplifizieren. Typ I IFN sind universelle, antivirale Zytokine, die nach Bindung an den IFN-α/β-Rezeptor die JAK/STAT-abhängige Expression hunderter antiviraler Moleküle, der so genannten IFN-stimulierten Gene, auslöst. Irrtümlich im zellulären Zytosol lokalisierte DNA ist ein besonders potenter Auslöser von Typ I IFN-vermittelter Immunität. Das Enzym zyklische GMP-AMP Synthase (engl. cGAS) katalysiert nach Bindung an zytosolischer DNA die Synthese des sekundären Botenstoffes zyklisches GMP-AMP (cGAMP), welches eine STING/TBK1/IRF3-abhängige Signalkaskade zur Produktion von Typ I IFN auslöst. Die frühe Initiierung einer solchen angeborenen Immunantwort ist entscheidend für die Restriktion viraler Replikation, die Eliminierung infizierter Zellen und die Einleitung der adaptiven Immunantwort zur effizienten Kontrolle der Infektion und der Abmilderung des Krankheitsverlaufs in vivo. Folglich haben Viren Evasionsmechanismen entwickelt, um der Typ I IFN-vermittelten Restriktion zu entgehen und die virale Replikation zu fördern, zum Beispiel durch die Expression antagonistischer viraler Proteine, die PRR-ausgelöste Signalketten zum Erliegen bringen oder durch die Entwicklung anspruchsvoller Replikationsstrategien, die die Exposition viraler PAMPs gegenüber den zellulären PRRs auf ein Minimum reduziert. Diese Dissertation basiert auf den drei kürzlich unter meiner maßgeblichen Mitarbeit veröffentlichten Publikationen, die jeweils Schlüsselfragen der angeborenen Immunität und viraler Evasion im Kontext der HIV-1- und SARS-CoV-2-Infektion adressieren. Die erste Studie untersucht die strukturellen und funktionellen Konsequenzen der am häufigsten natürlich vorkommenden cGAS-Variante, rs610913, in Bezug auf deren Fähigkeit DNA-vermittelte Immunantworten im Kontext viraler Infektionen auszulösen (1). Die zweite Studie evaluiert den Beitrag der cGAS-vermittelten Detektion proviraler DNA zur intrinsischen Immunantwort in HIV-1-infizierten CD4+ T-Zellen, den Hauptzielzellen von HIV-1 in vivo (2). In der dritten Studie wird die Infektionsempfänglichkeit und initiierte angeborene Immunantwort in peripheren mononukleären Zellen des Blutes nach ex vivo Inokulation mit SARS-CoV-2 unter Anderem mittels Einzelzellsequenzierung analysiert (3).