The Role of Integrins in Enterovirus Infections and in Metastasis of Cancer

Integrins are a family of transmembrane glycoproteins, composed of two different subunits (alpha and beta). Altered expression of integrins in tumor cells contributes to metastasis tendency by influencing on the cells‟ attachment to adjacent cells and their migration. Viral pathogens, including certain enteroviruses, use integrins as receptors. Enteroviruses have also been suggested to be involved in the etiopathogenesis of type 1 diabetes. The study focuses on the role of integrins in the pathogenesis of metastasis to cortical bone and on type 1 diabetes (T1D) and echovirus 1 infection. In the first part of the thesis, the role of different integrins in the initial attachment of MDA-MD-231 breast cancer cells to bovine cortical bone disks was studied. A close correlation between alpha2beta1 and alpha3beta1 integrin receptor expression and the capability of the tumor to attach to bone were observed. In the second part, a possible correlation between susceptibility to enterovirus infections in diabetic children and differences in enterovirus receptor genes, including certain integrins, was investigated. In parallel, virus-specific neutralizing antibodies and diabetic risk alleles were studied. In the diabetic group, an amino acid change was detected in the polio virus receptor and the neutralizing antibody titers against echovirus 30 were lower. However, to obtain statistically sustainable results, a larger number of individuals should be analyzed. Echovirus 1 (EV1) enters cells by attaching to the alpha2I domain of the alpha2beta1 integrin. In the third part EV1 was shown to attach to a chimeric receptor construct of the transferrin receptor and the alpha2I domain and to enter cells through clathrin-mediated endocytosis that is normally not used by the virus. The chimeric receptor was recycled to the plasma membrane, whereas the virus remained in intracellular vesicles. The virus replication cycle was initiated in these cells, suggesting that evolution pressure could possibly cause the virus to evolve to use a different entry mechanism. Moreover, a cDNA microarray analysis of host gene expression during EV1 replication showed that 0.53% of the total genes, including several immediate early genes, were differently expressed.

Virus Infections in Early Childhood, Cow’s Milk Formula Exposure and Genetic Predisposition in the Development of Diabetes-Associated Autoimmunity

Varhaislapsuuden virusinfektioiden, lehmänmaitopohjaisen äidinmaitovastikeen ja geneettisen alttiuden merkitys diabetekseen liittyvän autoimmuniteetin kehittymisessä Tyypin 1 diabetes on autoimmuunisairaus, joka syntyy haiman insuliinia tuottavien beta-solujen tuhouduttua elimistön oman immuunipuolustusjärjestelmän hyökkäyksen seurauksena. Sekä perimän että ympäristötekijöiden arvellaan vaikuttavan tautiprosessiin, mutta taudin tarkkaa syntymekanismia ei tunneta. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää varhaislapsuuden ympäristötekijöiden vaikutusta beta-soluautoimmuniteetin syntyyn, erityispaino tutkimuksessa oli ympäristötekijöiden yhteisvaikutuksessa sekä geneettisten riskitekijöiden ja ympäristötekijöiden vuorovaikutuksessa. Varhaislapsuudessa sairastettu sytomegalovirus- tai enterovirusinfektio ei lisännyt beta-soluautoimmuniteetin riskiä lapsilla, joilla on geneettisesti kohonnut riski sairastua tyypin 1 diabetekseen. Ennen puolen vuoden ikää sairastettu rotavirusinfektio lisäsi hieman tyypin 1 diabetekseen liittyvän autoimmuniteetin riskiä. Tarkemmassa analyysissa varhaislapsuuden enterovirusinfektio osoittautui kuitenkin autovasta-aineiden muodostumisen riskitekijäksi niiden lasten joukossa, jotka olivat saaneet lehmänmaitopohjaista äidinmaidon vastiketta ensimmäisten elinkuukausien aikana. Tämä löydös viittaa enterovirusinfektion ja lehmänmaitopohjaisen vastikkeen yhteisvaikutukseen tyypin 1 diabetekseen liittyvän autoimmuniteetin synnyssä. Löydösten mukaan PTPN22 geenin C1858T polymorfismi vaikuttaa CD4+ T solujen aktivaatioon ja proliferaatiovasteeseen, 1858T alleeliin liittyy alentunut T-soluresepto-rivälitteinen aktivaatio. 1858T alleelin kantajuuteen liittyy lisäksi lisääntynyt autovasta-aineiden ja kliinisen diabeteksen ilmaantuvuus. Tämä yhteys rajoittui yksilöihin, jotka olivat altistuneet lehmänmaitopohjaiselle vastikkeelle ennen kuuden kuukauden ikää. Tulosten mukaan sekä ympäristötekijöiden väliset yhteisvaikutukset että perimä vaikuttavat yksittäisen ympäristötekijän merkitykseen tyypin 1 diabetekseen liittyvän autoimmuniteetin synnyssä. Nämä yhteisvaikutukset ympäristötekijöiden kesken ja perimän ja ympäristötekijöiden välillä selittävät aiemmin julkaistujen tulosten ristiriittaisuutta tutkimuksissa, joissa on analysoitu vain yhden ympäristötekijän vaikutusta diabeteksen ilmaantuvuuteen.

Detection, Identification and Molecular Variation of Human Enteroviruses

Picornaviruses are the most common human viruses and the identification of the picornaviruses is nowadays based on molecular techniques, for example, reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR). One aim of this thesis was to improve the identification of picornaviruses, especially rhino- and enteroviruses, with a real-time assay format and, also, to improve the differentiation of the viruses with genus-specific locked nucleic acid (LNA) probes. Another aim was to identify and study the causative agent of the enterovirus epidemics that appeared in Finland during seasons 2008-2010. In this thesis, the first version of picornavirus qRT-PCR with a melting curve analysis was used in a study of rhinovirus transmission within families with a rhinovirus positive index child where rhinovirus infection was monitored in all family members. In conclusion, rhinoviruses spread effectively within families causing mostly symptomatic infections in children and asymptomatic infections in adults. To improve the differentiation between rhino- and enterovirus the picornavirus qRT-PCR was modified with LNA-incorporated probes. The LNA probes were validated with picornavirus prototypes and different clinical specimen types. The LNA probe-based picornavirus qRT-PCR was able to differentiate all rhino- and enteroviruses correctly, which makes it suitable for diagnostic use. Moreover, in this thesis enterovirus outbreaks were studied with a well-observed method to create a strain-specific qRT-PCR from the typing region VP1 protein. In a hand-foot-and-mouth-disease (HFMD) outbreak in 2008, the causative agent was identified as CV-A6 and when the molecular evolution of the new HFMD CV-A6 strain was studied it was found that CV-A6 was the emerging agent for HFMD and onychomadesis. Furthermore, unusual E-30 meningitis epidemics that apeared during seasons 2009 and 2010 were studied with strain-specific qRT-PCR. The E-30 affected mostly adolescents and was probably spread in sports teams.

Onkolyyttiset pikornavirukset ja echovirus 7:n käyttö viroterapiassa

Echovirus 7 (E-7) on enterovirus, joka kuuluu pikornaviruksiin, jotka ovat pieniä ja vaipattomia viruksia ja joilla on ikosahedraalinen rakenne. E-7-viruksen positiivissäikeisen ja yksijuosteisen RNA-genomin koko on noin 7500 emäsparia. Se käyttää solupinnan reseptorina DAF-molekyyliä, jota ilmentyy useissa solutyypeissä ja erityisesti syöpäso¬luissa. Onkolyyttiset virukset tuhoavat syöpäsoluja viruksen lyyttisen kierron ansiosta ja kohdistuvat spesifisesti soluihin, jotka ilmentävät viruksen käyttämää reseptoria. Rigvir on onkolyyttinen, elävä, geneettisesti muokkaamaton, soluadaptoitu E-7, joka on Latviassa hyväksytty viruslääkkeeksi melanoomaa vastaan. Työssä tutkittiin, miten Rigvir eroaa muista E-7-isolaateista genomiltaan ja infektiokyvyltään. E-7-viruskannat valittiin kokeisiin virusneutralisaatiotestin perusteella. Työn aikana virukset testattiin myös geneettisellä tyypitystestillä. E-7-virukset (Rigvir, E-7 Wallace ja 7 kliinistä isolaattia) infektoitiin kymmeneen eri solulinjaan ja virusinfektiota ja virusten aiheuttamaa solutuhoa seurattiin mikroskooppisesti ja RT-qPCR:n avulla. Pitkä-PCR-menetelmä kehitettiin virusgenomin kloonaamiseksi geenivektoriin. Illumina MiSeq -NGS-genomisekvensointimenetelmällä sekvensoitiin virus-RNA:ta ja pitkä-PCR-tuotteita, ja tällä pyrittiin näkemään isolaattien välisiä eroja genomitasolla. Rigvir ei eronnut infektiokyvyltään muista E-7-viruksista lukuun ottamatta SW480-paksusuolisyöpäsoluja. Yksikään virusisolaateista ei infektoinut rintasyöpäsoluja (MDA-MB-231 ja MCF-7). Kohdunkaulasyöpäsoluja (HeLa Ohio) infektoivat huonosti kaikki paitsi yksi kliinisistä E-7-isolaateista. Tyypityksessä selvisi, että kolme solukokeissa käytetyistä isolaateista oli E-19-tyyppiä, jotka infektoivat hyvin glioomasoluja. Tutkimuksessa todettiin, että E-7:llä on syöpäsoluja tuhoavia ominaisuuksia, mutta tulokset eivät osoittaneet Rigvirin tuhoavan syöpäsoluja paremmin kuin muut E-7-isolaatit. NGS-sekvensointi ajettiin kerran E-7-kannoista eristetyistä vRNA-paloista, joista kaksi saatiin sopimaan verrokkina käytettyyn Wallace-sekvenssiin. Eroja näkyi varsinkin 5’-pään alueella ja noin 6000 bp vastaavalla alueella. Pitkä-PCR-tuotteista ajettaessa saatiin kaikki näytteet sopimaan verrokkiin, ja eroja näkyi odotetusti 5’-pään alueella. PCR-tuotteet toimivat NGS:ssä paremmin kuin RNA-näytteet, mutta RNA-näytteiden käsittely on huomattavasti helpompaa kuin PCR-näytteiden tuottaminen virus-RNA:sta.