Visualising reovirus infection in polarised epithelium: from touchdown to antiviral innate immune response

Boulant, Steeve
Dept. of Infectious Diseases – Virology

 

Enteric viruses are a global health concern and represent a major cause of infant mortality in developing countries. These viruses are also a problem in developed countries manifesting themselves as food born diseases inducing acute diarrhea and vomiting. Intestinal epithelial cells (IECs) constitute the primary barrier that enteric pathogens have to face. To resist the harsh acidic environment in the lumen of the gut, enteric viruses are exclusively non-enveloped. Although non-enveloped viruses were historically intensively used to characterize viruses, remarkably, very little is known about the molecular mechanisms used by non-enveloped viruses to penetrate the plasma membrane of the host cell. Similarly, the mechanism by which innate immunity is regulated in IECs remains unclear. However, it is known that cellular polarity represents a key player allowing the establishment of a delicate balance that efficiently recognizes pathogens and at the same time does not illicit an immune response against the commensal microbial flora. Inappropriate immune response to the commensal flora is suspected to be responsible for inflammatory bowel diseases. This proposal aims to achieve an integrative characterization of enteric virus infections of IECs taking into account the unique polarized nature of these cells. Characterization of viral infection and recognition by the innate immune system will be performed at the individual event level, providing us with high temporal and spatial resolution of these host-pathogen interactions. The specific aims are:

  • Spatio-temporal aspects of IEC viral infection: from membrane penetration to recognition by the innate immune system. In collaboration with Schultz and Hamprecht, we will describe the mechanisms by which non-enveloped viruses can penetrate the plasma membrane of the host cell at the individual particle level. We will determine where within an IEC the viral particle is detected by the innate immune system and characterize how the site of penetration (apical vs. basolateral membrane) can influence how infection is sensed.
  • Molecular mechanisms of antiviral innate immunity in the gut.In collaboration with Grimm, we will characterize the means by which antiviral innate immunity is achieved and regulated in IECs. Our goal is to understand how IECs can tolerate the commensal flora (with a focus on viruses) and at the same time efficiently recognize enteric pathogens.

Characterization of these mechanisms is a pre-requisite to fully understand how gastrointestinal homeostasis is achieved and regulated. A better understanding of enteric virus infection and innate immunity in IECs, will allow us to design more specific antiviral therapies and will offer us new insights into the mechanisms of inflammatory bowel diseases.


Enteroviren stellen ein globales Gesundheitsproblem und eine der Hauptursachen der Kindersterblichkeit in Entwicklungsländern dar. Diese Viren sind auch ein Problem in den entwickelten Ländern und treten dort als Lebensmittelinfektionen mit akuter Durchfall- und Erbrechenssymptomatik auf. Enteroviren sind ausschließlich unbehüllt, um den sauren Bedingungen im Lumen des Darms zu widerstehen. Intestinale Epithelzellen (IECs) bilden die erste Barriere, die von Darmpathogenen überwunden werden muss. Obwohl an unbehüllten Viren in der Vergangenheit intensiv geforscht wurde, ist bemerkenswert wenig bekannt über die molekularen Mechanismen, mit denen diese die Plasmamembran der Wirtszelle passieren. Ebenso wenig verstanden ist die Regulierung und Aktivierung der angeborenen Immunantwort in IECs. Einzig die zentrale Rolle zellulärer Polarität für das empfindliche Gleichgewicht von Krankheitserregerdetektion und Eliminierung, und Erkennung sowie Tolerierung kommensaler Mikroorganismen im Darmlumen, gilt als erwiesen. Unangemessene Immunreaktionen auf die Kommensalflora hingegen stehen im Verdacht, verantwortlich für entzündliche Darmerkrankungen zu sein. Dieser Antrag zielt darauf ab, ein integratives Verständnis viraler Infektionen der IECs unter Berücksichtigung der einzigartigen polarisierten Natur dieser Zellen zu erreichen. Charakterisierung der viralen Infektion und Detektion durch das angeborene Immunsystem werden auf der individuellen Ereignisebene erfolgen und dadurch Erkenntnisse dieser Wirt-Pathogen-Interaktionen in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermöglichen. Die spezifischen Ziele sind:

  • Räumlich-zeitliche Aspekte der IEC Virusinfektion: von Membranpenetration zur Erkennung durch das angeborene Immunsystem. In Zusammenarbeit mit Schultz und Hamprecht werden wir die Mechanismen, mit denen unbehüllte Viren die Plasmamembran der Wirtszelle auf der Partikelebene durchdringen können, beschreiben. Wir werden bestimmen, wo die Viruspartikel durch das angeborene Immunsystem in IECs erkannt werden und charakterisieren, ob die Eintrittsstelle (apikale vs basolaterale Membran) Einfluss auf die Art und Weise besitzt, wie vorliegende Infektionen vom Immunsystem erkannt werden.
  • Molekulare Mechanismen der angeborenen Immunität im Darm. In Zusammenarbeit mit Grimm werden wir untersuchen und beschreiben, wie antivirale angeborene Immunität in IECs erreicht und reguliert wird. Unser Ziel ist es zu verstehen, wie die IECs Kommensalflora (mit einem Schwerpunkt auf Viren) tolerieren und gleichzeitig hocheffizient Darmpathogene erkennen können.

Die Charakterisierung dieser Mechanismen ist eine Voraussetzung, um vollständig zu verstehen, wie Magen-Darm-Homöostase erreicht und reguliert wird. Ein besseres Verständnis der enteralen Virus-Infektionen und der angeborenen Immunität in IECs wird uns in die Lage versetzen, spezifischere antivirale Therapien entwickeln zu können und neue Erkenntnisse über die Mechanismen entzündlicher Darmerkrankungen bereitzustellen.