Regulatory Mechanism of the Innate Restriction Factor SAMHD1 in Herpesviral Infections

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-11-09
Issue Year
2020
Authors
Deutschmann, Janina
Editor
Abstract

SAMHD1 is a ubiquitously expressed dNTP triphosphohydrolase that contributes to the cell cycle-dependent regulation of intracellular dNTP concentrations. In non-dividing myeloid cells and resting T cells, SAMHD1 acts as major restriction factor against HIV-1 and other retroviruses by reducing the dNTP concentration below the level required for reverse transcription. In addition, it has been demonstrated that SAMHD1 is able to inhibit the replication of various DNA viruses in vitro. Hence, SAMHD1 seems to play a broader role in intrinsic immunity against different virus species in general. However, it has never been established whether SAMHD1 is also active against replicating viruses in vivo. In the present study, the impact of SAMHD1 on MCMV replication was determined in vitro and in vivo. Thereby, SAMHD1 was found to restrict MCMV replication in vivo as illustrated by elevated viral titers in SAMHD1 KO mice. Further analyses of myeloid cells and fibroblasts revealed that upon MCMV infection, SAMHD1 is phosphorylated at the regulatory amino acid T603, a modification that is known to abolish its antiviral activity against HIV. Consequently, the viral protein kinase M97 of MCMV was investigated as an antagonistic candidate for SAMHD1 restriction. Indeed, M97-mediated phosphorylation caused the loss of SAMHD1-dependent restriction against MCMV in myeloid cells and fibroblasts and further correlated with increased dNTP concentrations. SAMHD1 with a mutation of the phosphorylation site T603A was not targeted by M97 at T603 and efficiently restricted MCMV WT replication in fibroblasts. Accordingly, M97 kinase-deficient MCMV only exhibited enhanced replication kinetics in absence of SAMHD1 in vitro and in vivo. Hence, the viral kinase M97 was identified as a novel viral countermeasure against SAMHD1 during MCMV infection. Strikingly, this study also revealed that the ability to phosphorylate SAMHD1 is shared by herpesviruses of different subfamilies and the M97 homologous kinases pUL97 of the β-herpesvirus HCMV as well as ORF36 of the γ-herpesvirus KSHV prominently phosphorylated SAMHD1. This finding might explain why HIV-patients coinfected with herpesviruses show an increased HIV pathogenicity and an accelerated progression to AIDS. Therefore, coinfection studies in myeloid cells were conducted and revealed that HCMV infection as well as reactivation of KSHV significantly downregulated the SAMHD1-mediated restriction of HIV infectivity. Together, this study highlights the crucial antiviral role of SAMHD1 as part of the innate immune system. With the protein kinases of herpesviruses, a novel antagonism to circumvent SAMHD1-mediated restriction was identified, providing a potential mechanism for the increased clinical severity of HIV-patients with opportunistic herpesviral infections.

Abstract

SAMHD1 ist eine ubiquitär exprimierte dNTP-Triphosphohydrolase, die zur zellzyklusabhängigen Regulation intrazellulärer dNTP-Konzentrationen beiträgt. In sich nicht teilenden myeloiden Zellen und ruhenden T-Zellen stellt SAMHD1 einen wichtigen Restriktionsfaktor für HIV-1 und andere Retroviren dar, indem es die dNTP-Konzentration unter das für die reverse Transkription erforderliche Niveau senkt. Zudem hemmt SAMHD1 die Replikation verschiedener DNA-Viren. Daher könnte SAMHD1 eine größere Rolle bei intrinsischen Abwehrmechanismen gegen Viren im Allgemeinen spielen. Bisher konnte jedoch nicht gezeigt werden, ob SAMHD1 auch gegen sich in vivo replizierende Viren aktiv ist. In dieser Studie wurde deshalb der Einfluss von SAMHD1 auf die MCMV-Replikation in vitro und in vivo untersucht. Dabei wirkte SAMHD1 inhibierend auf die MCMV-Replikation in vivo, was sich durch erhöhte Virustiter in SAMHD1 KO-Mäusen auszeichnete. Weitere Untersuchungen von myeloiden Zellen und Fibroblasten zeigten, dass SAMHD1 durch MCMV-Infektion an der regulatorischen Aminosäure T603 phosphoryliert wird, eine Modifikation, von der bekannt ist, dass sie die antivirale Aktivität gegen HIV aufhebt. Folglich wurde die virale Proteinkinase M97 von MCMV als antagonistischer Kandidat für SAMHD1 untersucht. Tatsächlich wurde die Phosphorylierung durch M97 vermittelt und führte zum Verlust der SAMHD1-abhängigen Restriktion von MCMV, was zudem mit erhöhten dNTP-Konzentrationen korrelierte. SAMHD1 mit einer Mutation der Phosphorylierungsstelle T603A wurde von M97 dort nicht erkannt und schränkte die MCMV WT-Replikation in Fibroblasten wirksam ein. M97-defektes MCMV zeigte nur in Abwesenheit von SAMHD1 in vitro und in vivo eine erhöhte Replikationskinetik. Somit wurde die virale Kinase M97 als neuer Antagonist zu SAMHD1 bei MCMV-Infektion identifiziert. Zudem konnte gezeigt werden, dass die SAMHD1-Phosphorylierung in verschiedenen herpesviralen Unterfamilien erhalten ist und die M97-homologen Kinasen pUL97 des β-Herpesvirus HCMV sowie ORF36 des γ-Herpesvirus KSHV SAMHD1 deutlich phosphorylieren. Dies könnte erklären, warum HIV-Patienten, die mit Herpesviren koinfiziert sind, eine beschleunigte Progression zu AIDS mit einer höheren Pathogenität aufweisen. Daher wurden Koinfektionsstudien in myeloiden Zellen durchgeführt, welche zeigten, dass sowohl die HCMV-Infektion als auch die Reaktivierung von KSHV die SAMHD1-vermittelte Restriktion der HIV-Infektion hemmen. Diese Studie verdeutlicht die wichtige antivirale Rolle von SAMHD1 als Teil des angeborenen Immunsystems. Dabei wurde mit den Proteinkinasen von Herpesviren ein neuer Antagonismus zu SAMHD1 identifiziert, welcher die Problematik herpesviraler Koinfektionen bei HIV-Patienten erklären könnte.

DOI
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