Structural and functional analysis of adenovirus receptor interaction

Abstract

Adenovirus is a major cause of acute respiratory and ocular infections. However, despite their disease association, recombinant forms of this virus are currently being employed for gene transfer applications and vaccine delivery. A large number of the more than 50 identified serotypes of human adenovirus can use the cell surface protein CAR as primary attachment receptor on host cells. Recently, non CAR-using adenoviruses belonging to species B as well as the species D member Ad37 have been found to bind to the integral membrane protein CD46. Upon comparison of their CD46-usage, I found that the species B Ads utilize this primary attachment receptor while Ad37 recognizes CD46 less efficiently and also binds to cells via other host cell molecules, including sialic acid. Unexpectedly, I found that the soluble Ad37 fiber knob actually promoted virus infection through a novel bridging mechanism. Further investigation of the CD46 binding by species B Ads led to the identification of a site comprised of the CD46 domains SCR1 and 2 that mediates attachment of the Ad fiber protein. Structural and functional analysis of the binding site indicated a strong conservation of receptor usage by members of the Ad subspecies B2. However, a detailed kinetic analysis of CD46 binding to the fiber knobs of Ad11 (species B2) and Ad16 (species B1) indicated significant differences in CD46 association. In particular, we observed that Ad16 has a strikingly low binding affinity for CD46 due to an increased dissociation rate. Further structural and functional studies identified an extended surface loop in the Ad16 fiber knob that plays a major role in reduced binding affinity. Nonetheless, avidity effects permit efficient virus attachment and cell entry via CD46. However, the structural variations in the surface loops that regulate receptor affinity might enable this virus to evade preexisting neutralizing antibodies more efficiently. Together, my findings shed further light on CD46 association by distinct adenovirus species and could aid in the selection and development of second generation viral vectors.

Adenoviren sind eine häufige Ursache von akuten Infektionen des Respirationstraktes sowie der Augenbindehaut. Trotz der Pathogenität dieses Viruses werden rekombinante Formen zum Gentranfer sowie zur Übertragung von Impfstoffen eingesetzt. Bislang wurden mehr als 50 verschiedene Adenovirustypen identifiziert, von denen die Mehrzahl das Zelloberflächenprotein CAR als primären Rezeptor auf Wirtszellen nutzt. Unlängst wurde festgestellt, daß Adenoviren der Gattung B sowie der zur Gattung D gehörende Adenovirustyp 37, die nicht CAR als Rezeptor nutzen, das integrale Membranprotein CD46 binden können. Durch einen Vergleich der Nutzung von CD46 durch diese Viren konnte ich feststellen, daß Adenoviren der Gattung B dieses Protein als primären Rezeptor nutzen, während Adenovirustyp 37 CD46 mit einem geringeren Wirkungsgrad nutzt und darüberhinaus noch weitere Moleküle an der Zelloberfläche bindet, unter anderem Sialinsäure. Überraschenderweise habe ich entdeckt, daß eine rekombinante Form der Kopfdomäne des Ad37 Fiberproteins die Infektion mit Adenoviren auf eine bisher unbekannte Weise fördert. Durch weitere Untersuchungen der Interaktion mit CD46 konnte ich feststellen, daß die Domänen SCR1 und SCR2 dieses Rezeptors die Bindungsstelle für das Fiberprotein von Adenoviren bilden. Eine Struktur- und Funktionsanalyse der Bindungsstelle deutete auf eine erhebliche Konservierung der Rezeptorinteraktion von Adenoviren der Gattung B2 hin. Eine genaue kinetische Analyse der Interaktion von CD46 mit den Fiberkopfdomänen von Adenoviren der Gattungen B2 (Ad11) und B1 (Ad16) zeigte jedoch deutliche Unterschiede in der Rezeptorbindung auf, wobei insbesondere eine äußerst niedrige Affinität von Ad16 für Cd46 auffiel. Durch weitere Struktur- und Funktionsanalysen konnte eine vorstehende Schlaufe an der Oberfläche des Ad16 Fiberkopfes identifiziert werden, die eine wichtige Ursache für die reduzierte Bindungsaffinität dieses Proteins darstellt. Trotz einer solch niedrigen Affinität kann der Virus aufgrund von Aviditätseffekten mittels CD46 in Wirtszellen eindringen. Die strukturellen Variationen in den Oberflächenschlaufen des Fiberkopfproteins, die für Unterschiede in der Bindungsaffinität verantwortlich sind, erlauben es dem Virus möglicherweise, neutralisierenden Antikörpern auszuweichen. Meine Forschungsergebnisse geben Aufschluß über die Interaktion von verschiedenen Adenovirustypen mit dem Rezeptor CD46 und können so möglicherweise die Auswahl und Entwicklung von viralen Vektoren der zweiten Generation erleichtern.