KFO 309 KR1143/9-1/ alt

Kurzbeschreibung:

Coronaviren sind wichtige Erreger von respiratorischen Infektionen beim Menschen. Pathologie und Verlauf dieser Infektionen unterscheiden sich stark und werden durch den auslösenden Erreger maßgeblich bestimmt, wobei sich die weltweit zirkulierenden humanen Coronaviren (HCoV-229E, NL63, HKU1, OC43) hinsichtlich ihrer Pathogenität maßgeblich von den neu auftretenden (zoonotischen) Coronaviren (SARS-CoV, MERS-CoV) unterscheiden. Die zugrundeliegenden Mechanismen dieser unterschiedlichen Pathogenität sind bisher wenig verstanden, was vor allem der Tatsache geschuldet ist, dass nur wenige geeignete experimentelle Modelle zur Verfügung stehen, die die Komplexizität der Wechselwirkungen von Coronaviren mit unterschiedlichen Zelltypen und Kompartimenten der menschlichen Lunge ausreichend widerspiegeln. Das geplante Projekt wird sich deshalb bei der Charakterisierung von viralen und zellulären Faktoren, die die Lungenschädigung und Wirtsreaktion bei coronaviralen Infektionen der Lunge maßgeblich bestimmen, auf technisch anspruchsvolle humane Ex-vivo-Lungenepithelzell-Kultursysteme stützen. Dieses Kultursystem unterstützt die Infektion und Replikation aller bekannten humanen Coronaviren und bietet daher eine ausgezeichnete Grundlage für die geplanten revers-genetischen und virologischen Studien humaner Alpha- und Betacoronaviren sowie die Transkriptom- und Protein-Protein-Interaktionsanalysen auf Einzelzellebene. Die experimentellen Ansätze und Fragestellungen des Projektes beruhen auf der zentralen Hypothese, dass humane Coronaviren eine Reihe von Proteinen kodieren, die die zelluläre Reaktion bzw. Immunantwort von Lungenepithelzellen auf der Ebene der ER-Stress-Reaktion and des NF-kB-Signalweges abschwächen und somit den Umfang der pulmonale Schädigung bestimmen bzw. ausbalancieren. Das Forschungsprogramm basiert auf der Nutzung von differenzierten Epithelzellen des humanen Respirationstrakts sowie Kokulturen mit primären humanen Alveolarmakrophagen und dendritischen Zellen . Diese Kultursyteme werden verwendet, um die Replikation, Genexpression und den Zelltropismus von repräsentativen humanen Coronaviren mit unterschiedlichem Pathogenitätspotential zu charakterisieren. Darüber hinaus sollen Coronavirus-Mutanten mittels reveser-genetischer Verfahren erzeugt und genutzt werden, um mögliche Funktionen ausgewählter viraler Proteine für die virale Pathogenese in der Lunge zu untersuchen. In den genetisch veränderten humanen Coronaviren sollen spezifische Replikase-Gen-kodierte Enzymfunktionen inaktiviert und Reportergene eingebracht weden, die den Nachweis virusinfizierter Zellen in komplexen Zellkultursystemen erleichtern. Das zentrale Ziel des Projektes besteht in der Aufdeckung  von Coronavirus-regulierten Signalwegen in der Lunge, die auf lange Sicht genutzt werden können, um neue diagnostische und therapeutische Möglichkeiten für die Behandlung virusbedingter repiratorischer Infektionen zu entwickeln.

Short summary:

Coronaviruses are a major cause of respiratory tract infections in humans. Lung pathology varies greatly between infections caused by "common" human coronaviruses (HCoV-229E, NL63, HKU1, OC43) and newly emerging (zoonotic) coronaviruses (SARS-CoV and MERS-CoV). To date, the underlying mechanisms for strain-specific differences in human CoV-induced pathology have been poorly defined. To a large extent, this is due to a scarcity of experimental systems that appropriately reflect the complexity of coronavirus-host interactions ocurring in different cell types and compartments of the lung. Using a combination of advanced technologies available in the planned Clinical Research Unit, including state-of-the-art human ex-vivo lung epithelial cell culture systems, CoV reverse genetics, and transcriptome and protein-protein interaction analyses at the single-cell level, the project aims to get insight into virus-encoded and cellular factors that drive human lung injury and host response in human respiratory infections caused by alpha- and beta-CoVs. A central hypothesis to be addressed in this project is that human CoVs encode a set of proteins that dampen or shape the epithelial cell immune response at the level of the ER stress response and the NF-kB pathway. The research program is mainly based on the use of differentiated human airway epithelial cells and co-cultures with human alveolar macrophages/dendritic cells cells to study and compare the replication, gene expression and viral tropism of representative "common" and newly emerging coronaviruses representing the genera Alpha- and Betacoronvirus. Furthermore, an extensive set of genetically engineered human coronavirus mutants will be generated and used to elucidate possible roles of specific viral proteins in human lung pathology. These mutants lack specific viral replicase gene-encoded enzymatic activities presumed to be involved in viral pathogenesis and express reporter genes to facilitate detection of virus-infected cells in complex culture systems. The overall aim of the project is to define CoV-regulated pathways and molecules and their interactions with CoV-encoded effectors in the lung, which, in the long run, will provide provide a framework for developing novel diagnostic and therapeutic strategies to treat coronaviral infections more effectively.  

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