Investigation of Glycerophospholipid Metabolism and Long-Chain Fatty Acid Function in Orthoflavivirus Infection
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Authors
Publisher
Philipps-Universität Marburg
Abstract
Viruses of the genus orthoflavivirus within the family of Flaviviridae are arthropod-borne
emerging pathogens due to rising global temperature and increasing human population.
Among these viruses are the human pathogenic dengue virus (DENV), Zika virus (ZIKV),
yellow fever virus (YFV), West Nile virus (WNV), and tick-borne encephalitis virus
(TBEV). The rapid spread of the vector and the lack of direct antiviral treatment highlight
the relevance of comprehensive understanding of the viral replication cycle. A number
of studies have already established a connection between orthoflavivirus infection and
host lipid metabolism.
In this context, we used a semi-targeted shotgun lipidomic approach to analyze changes
in lipid abundance and species in cell culture models infected with DENV, ZIKV, YFV,
WNV, and TBEV. We observed that orthoflavivirus infection caused a large increase in
ceramide levels for viruses causing cytopathic effects and a decrease in triglycerides for
all viruses analyzed, resulting in fewer lipid droplets. Overall, fatty acid desaturation and
glycerophospholipid metabolism also changed significantly. Using inhibitors and a
shRNA-based knockdown approach of phosphatidylinositol biosynthesis, ceramide
synthesis, and phosphatidylserine metabolism, we detected reduced orthoflavivirus titers
and decreased cytopathic effect.
In the second project, the impact of fatty acid elongases and desaturases in
orthoflavivirus infection was investigated using RNAi in order to characterize their
potential role as an antiviral target. Interestingly, only DENV viral titers were drastically
affected by depletion of different elongases and desaturases. In line with this, additional
analysis of our lipidomics dataset revealed an increased abundance of long-chain fatty
acids with a higher desaturation grade in DENV-infected cells. Depletion of the
desaturase FADS2 and the elongase ELOVL4 resulted in the most significant reduction
in DENV viral titers. In follow-up experiments, we showed that ELOVL4 is required for
DENV replication, whereas FADS2 is important for the assembly of infectious viral
particles.
These findings highlight that orthoflaviviruses strongly remodel host cell lipid metabolism
for efficient replication. We identified distinct changes as well as commonly shared
patterns, pointing towards lipid metabolizing enzymes as potential antiviral targets.
Viren der Gattung Orthoflavivirus innerhalb der Familie der Flaviviridae sind durch
Arthropoden übertragene Krankheitserreger, die sich aufgrund des globalen
Temperaturanstiegs und der steigenden menschlichen Bevölkerungsdichte vermehrt
ausbreiten. Zu den humanpathogenen Orthoflaviviren gehören das Dengue-Virus
(DENV), das Zika-Virus (ZIKV), das Gelbfieber-Virus (YFV) und das West-Nil-Virus
(WNV) sowie das Frühsommer-Meningoenzephalitis Virus (FSME/TBEV). Die
Ausbreitung der Vektoren und das Fehlen einer direkten antiviralen Behandlung machen
deutlich, wie wichtig ein umfassendes Verständnis des viralen Replikationszyklus ist, um
neue Therapieansätze zu entwickeln. In einer Reihe von Studien wurde bereits ein
Zusammenhang zwischen der Infektion mit Orthoflaviviren und dem Lipidstoffwechsel
des Wirts festgestellt.
In diesem Zusammenhang haben wir zunächst eine Lipidomanalyse durchgeführt, um
Änderungen der Lipidzusammensetzung in Zellkultur Infektionsmodellen von DENV,
ZIKV, YFV, WNV, oder TBEV zu analysieren. Eine Infektion mit den Viren, die in
unserem Zellkultursystem zytopathische Effekte zeigten, führte zu einem starken
Anstieg der Ceramide. Für alle untersuchten Viren konnten wir reduzierte Triglycerid-
Level detektieren und damit einhergehend eine Verringerung der zellulären
Lipidtröpfchen (lipid droplets). Insgesamt veränderten sich auch die Fettsäuresättigung
und der Glycerophospholipid-Stoffwechsel erheblich. Mit Hilfe von Inhibitoren und RNAi-
Ansätzen für die Phosphatidylinositol-Biosynthese, die Ceramid-Synthese und den
Phosphatidylserin-Stoffwechsel konnten wir reduzierte Orthoflavivirus-Titer und einen
verringerten zytopathische Effekt nachweisen.
In einem zweiten Projekt wurde die Funktion von Elongasen und Desaturasen in der
Orthoflavivirus Infektion mit Hilfe von RNAi untersucht. Interessanterweise wurden nur
die DENV-Titer durch Herrunterregulierung verschiedener Elongasen und Desaturasen
drastisch reduziert. Damit übereinstimmend zeigte eine weiterführende Analyse unseres
Lipidom-Datensatzes ein erhöhtes Vorkommen von langkettigen ungesättigten
Fettsäuren in DENV-infizierten Zellen. Insbesondere die Depletion der Desaturase
FADS2 und der Elongase ELOVL4 führte zu einer deutlichen Verringerung der DENVTiter.
In Folgeexperimenten konnten wir zeigen, dass ELOVL4 für die DENV-Replikation
erforderlich ist, während FADS2 wichtig ist für die Morphogenese infektiöser
Viruspartikel.
Diese Ergebnisse zeigen, dass Orthoflaviviren den Lipidstoffwechsel der Wirtszelle für
eine effiziente Replikation stark verändern. Wir haben sowohl distinkte Veränderungen
als auch gemeinsame Muster identifiziert, die darauf hindeuten, dass lipidmetabolisierende
Enzyme potenzielle antivirale Ziele sind.
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