Innate Immune Recognition of RNA-virus infection in human macrophages

Innate immunity and host defence are rapidly evoked by structurally invariant molecular motifs common to microbial world, called pathogen associated molecular patterns (PAMPs). In addition to PAMPs, endogenous molecules released in response to inflammation and tissue damage, danger associated molecular patterns (DAMPs), are required for eliciting the response. The most important PAMPs of viruses are viral nucleic acids, their genome or its replication intermediates, whereas the identity and characteristics of virus infection-induced DAMPs are poorly defined. PAMPs and DAMPs engage a limited set of germ-line encoded pattern recognition receptors (PRRs) in immune and non-immune cells. Membrane-bound Toll-like receptors (TLRs), cytoplasmic retinoic acid inducible gene-I (RIG-I)-like receptors (RLRs) and nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor (NLRs) are important PRRs involved in the recognition of the molecular signatures of viral infection, such as double-stranded ribonucleic acids (dsRNAs). Engagement of PRRs results in local and systemic innate immune responses which, when activated against viruses, evoke secretion of antiviral and pro-inflammatory cytokines, and programmed cell death i.e., apoptosis of the virus-infected cell. Macrophages are the central effector cells of innate immunity. They produce significant amounts of antiviral cytokines, called interferons (IFNs), and pro-inflammatory cytokines, such as interleukin (IL)-1β and IL-18. IL-1β and IL-18 are synthesized as inactive precursors, pro-IL-1β and pro-IL-18, that are processed by caspase-1 in a cytoplasmic multiprotein complex, called the inflammasome. After processing, these cytokines are biologically active and will be secreted. The signals and secretory routes that activate inflammasomes and the secretion of IL-1β and IL-18 during virus infections are poorly characterized. The main goal of this thesis was to characterize influenza A virus-induced innate immune responses and host-virus interactions in human primary macrophages during an infection. Methodologically, various techniques of cellular and molecular biology, as well as proteomic tools combined with bioinformatics, were utilized. Overall, the thesis provides interesting insights into inflammatory and antiviral innate immune responses, and has characterized host-virus interactions during influenza A virus-infection in human primary macrophages.

Immuunivaste on luokiteltu toiminnallisesti luontaiseen ja hankittuun immuniteettiin. Luontainen immuniteetti on nopea ensivaste taudinaiheuttajaa vastaan, ja se edeltää lymfosyytteihin ja vasta-aineisiin perustuvaa pitkäkestoista hankittua immuniteettiä. Luontaisen immuniteetin toiminta perustuu liukoisiin ja solukalvoissa oleviin tunnistereseptoreihin. Tunnistereseptorien sitoutuminen patogeenien rakenteisiin tai infektion ja kudosvaurion yhteydessä soluista vapautuviin vaarasignaaleihin aktivoivat luontaisen immuniteetin. Tärkein tunnistereseptoreita aktivoiva virusperäinen rakenne on viruksen nukleiinihapot, perimäaines tai sen replikaatiotuotteet. Virusinfektion aikana solusta erittyvät vaarasignaalit ovat puolestaan huonosti tunnettuja. Tunnistereseptorien aktivoituminen johtaa usein systeemiseen ja paikalliseen antiviraalisten sytokiinien ja tulehdusvälittäjäaineiden erittymiseen ja infektoituneen solun ohjelmoituun solukuolemaan, apoptoosiin. Ilman luontaista immuniteettiä hankittu immuniteetti ei voi muodostua kohdattua taudinaiheuttajaa vastaan. Makrofagit ovat keskeisiä luontaisen immuniteetin soluja, jotka tuottavat antiviraalisia sytokiinejä ja tulehdusvälittäjäaineita, kuten interferoneja (IFN) ja interleukiineja (IL). IL-1β ja IL-18 ovat elimistön tärkeimpiä tulehdusvälittäjäaineita. Ne tuotetaan biologisesti toimimattomina esiasteina, jotka prosessoituvat soluliman inflammasomi-rakenteessa biologisesti aktiivisiksi. Signaalit, jotka johtavat inflammasomin aktivaatioon ja sitä seuraavaan IL-1β ja IL-18 erittymiseen virusinfektion aikana, ovat huonosti karakterisoituja. Väitöskirjatyön päätavoitteena oli tutkia luonnollisen immuniteetin aktivoitumismekanismeja ja isäntä-virus vuorovaikutusta influenssa A virus-infektoiduissa ihmisen primäärimakrofageissa. Tutkimusmenetelminä käytettiin monipuolisesti erilaisia solu- ja molekyylibiologian tekniikoita sekä proteiinikemiaan, proteomiikkaan, perustuvia massaspektrometrisiä menetelmiä ja bioinformatiikkaa. Väitöskirjan tulokset antavat kattavan kuvan luonnollisen immuniteetin ja inflammasomin aktivaatiomekanismeista virusinfektion aikana sekä isäntä-virus-vuorovaikutuksesta influenssa A-virus -infektoiduissa ihmisen primääri makrofageissa.