Forskarna utvecklade ett system som snabbt identifierar regioner inom influensavirusproteiner som genomgår genetiska mutationer och därefter infekterar värden, vilket potentiellt kan bidra till influensaframgång. Resultaten publicerades idag i tidskriften _Cell Host &Microbe_.
"Influensaviruset utvecklas och förändras väldigt snabbt", säger seniorförfattaren Sarah Fortune, PhD, professor i mikrobiologi vid Penn och en utredare vid Howard Hughes Medical Institute. "Vi har känt till att den virala genomsekvensen förändras, men vi visste inte så väl sambandet mellan sekvensförändringarna och virusets förmåga att växa och överföra hos människor.
"I den här studien kunde vi snabbt identifiera och kartlägga vilka delar av det virala genomet som förändrades, och associera dessa förändringar med förmågan att replikera och växa i näsvävnad. Detta gjorde det möjligt för oss att identifiera de områden av viruset vi borde titta på. för att övervaka hur det förändras och utvecklas över tiden, och bättre förstå hur vissa stammar kan vara mer eller mindre framgångsrika när det gäller att bli säsongsbetonade stammar eller pandemiska virus."
Influensa är fortfarande ett av världens mest akuta hot mot infektionssjukdomar, vilket orsakar säsongsbetonade epidemier som leder till betydande sjuklighet och dödlighet globalt. Enbart säsongsinfluensavirus är ansvariga för uppskattningsvis 290 000 till 650 000 dödsfall varje år, medan pandemiska influensavirus har orsakat några av de dödligaste pandemierna i modern historia.
Influensavirusets förmåga att orsaka sjukdom hos människor är till stor del beroende av virala proteiner som interagerar direkt med mänskliga värdproteiner. Framgången och överföringen av specifika stammar eller varianter av influensa beror särskilt på deras förmåga att binda till cellulära receptorer på ytan av luftvägsceller och sedan replikera inuti dessa celler. Även om det är välkänt att influensavirus ständigt utvecklas genetiskt, har forskare fortfarande en begränsad förståelse för de specifika molekylära mekanismerna genom vilka influensavarianter utnyttjar det mänskliga värdområdet och immunsystemet.
För att komma till rätta med denna kunskapsklyfta utvecklade Fortunes team ett mångsidigt molekylärt system för att snabbt skapa tusentals genetiskt olika varianter av influensavirus och sedan kvantifiera hur väl varje variant kan replikera i mänskliga luftvägsceller. De introducerade systematiskt genetiska mutationer i två viktiga virala proteiner - hemagglutinin (HA) och neuraminidas (NA) som hjälper viruset att komma in i och lämna celler. Därefter screenade de dessa stora virala mutantbibliotek för varianter som bättre utnyttjade mutationer i värdproteiner.
"Eftersom influensavirus replikerar väldigt snabbt och växer till höga titrar, kan vi göra experiment för att förstå de evolutionära och funktionella konsekvenserna av individuella mutationer mycket snabbt, jämfört med andra virus som kan ha långa generationstider eller komplexa tillväxtkrav", säger co-senior. författare Christopher Lazear, PhD, professor vid institutionen för bioinformatik och biostatistik vid CHOP. "Vi använder detta som en fördel i våra studier, vilket gör att vi kan utföra djupa och systematiska studier för att förstå utvecklingen av viruset."
Studien visade att influensavirus effektivt kan utnyttja naturligt förekommande variationer i mänskliga proteiner för att förvärva nya funktioner som förbättrar deras förmåga att infektera näsceller. Mutationer inom HA- och NA-proteiner på virusets yta var specifikt kopplade till hur effektivt viruset kunde komma in i mänskliga näsceller och replikera däri, båda nödvändiga stegen i influensans förmåga att sprida sig och orsaka sjukdom.
"Dessa resultat ger en ram för att snabbt dissekera de molekylära mekanismerna som underbygger framgången och överföringen av influensa och, mer allmänt, av alla respiratoriska patogener," sa Fortune. "Vidare kan vårt system avslöja värddeterminanter för influensakänslighet, vilket kan ge nya terapeutiska vägar för att i stort sett förhindra influensavirusinfektion."
Andra medförfattare på studien inkluderar:Penns Katherine Brown, Elizabeth B. Creech, Hannah M. Bartsch och Scott Hensley; och CHOPs James V. Seeley, Andrew L. Vaughan och Emily S. Crawford.
Forskningen stöddes av National Institute of Allergy and Infectious Diseases (bidrag NIAID-U19AI118610, NIAID-R01AI120994, NIAID-R21AI141445), Pew Charitable Trusts och en Burroughs Wellcome Fund Career Award för medicinska forskare.
