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Carolin Zitzmann

• Plus‐strand RNA [(+)RNA] viruses are the largest group of viruses, medically highly relevant human pathogens, and are a socio‐economic burden. The current global pandemic of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS‐CoV‐2) shows how a virus has been rapidly spreading around the globe and that– without an antiviral treatment– virus trans mission is solely dependent on human behavior. However, other (+)RNA viruses such as rhino‐, noro‐, dengue‐ (DENV), Zika, and hepatitis C virus (HCV) are constantly spreading and expanding geographically. As in the case of hepatitis C, since its first identification in the 1970s, it took more than 30 years to understand the HCV structure, genome organiza t ion, life cycle, and virus‐host interplay leading to the cure of a chronic and life‐threatening disease. However, no vaccination or antiviral treatment exists for most (+)RNA viruses. Con sequently, a precise and comprehensive analysis of the viruses, their life cycles, and parasitic interactions with their hosts remains an important field of research. In the presented thesis, we use mathematical modeling to study the life cycles of (+)RNA viruses. We analyze replication strategies of closely related (+)RNA viruses, namely HCV, DENV, and coxsackievirus B3 (CVB3), to compare their life cycles in the presence and ab sence of the host’s immune response and antiviral drug treatment and consider different viral spreading mechanisms. Host dependency factors shape the viral life cycle, contribut ing to permissiveness and replication efficiency. Our mathematical models predicted that host dependency factors, such as ribosomes, and thus the virus’ ability to hijack the host cell’s translation machinery play an essential role in the viral genome replication efficiency. Furthermore, our mathematical model suggested that the availability of ribosomes in the vi ral life cycle is a crucial factor in disease outcome: the development of an acute or chronic disease. Even though the host developed strategies to attack the virus, e.g., by degrading the viral genome, blocking the viral protein production, and preventing viral spread, viruses found strategies to countermeasure those so‐called host restriction factors derived from the immune system. Our mathematical models predicted that DENV might be highly effective in blocking the cell’s attempts to recognize the invader. Moreover, we found ongoing HCV RNAreplication even with highly effective antiviral drugs that block processes in the viral life cycle. Furthermore, we found alternative pathways of infection spread, e.g., by HCV RNA carrying exosomes, which may be a possible explanation for reported plasma HCV RNA at the end of treatment, found in a subset of patients. Hence, the mathematical models presented in this thesis provide valuable tools to study the viral replication mechanism in detail. Even though being a simplification of reality, our model predictions confirm and explain known and suggest novel biological mechanisms. In the pre sented thesis, I will summarize and discuss key findings and contextualize model predictions in the broader scientific literature to improve our understanding of the viral dynamics and the virus‐host interplay.
• Plusstrang RNA [(+)RNA] Viren gehören zu der größten Virengruppe. Sie sind medizinisch höchst relevante Humanpathogene und eine starke Belastung für die Gesellschaft und die Wirtschaft. Die derzeitige globale Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS‐CoV‐2)‐Pandemie zeigte, wie rasant sich ein Virus auf der Welt ausbreiten kann und dass die Virusverbreitung ohne antivirale Behandlung alleinig vom menschlichen Verhalten anhängigist. Allerdings gibt es andere (+)RNAViren, wiezumBeispielRhino‐, Noro‐, Dengue (DENV), Zika‐ und das Hepatitis C Virus (HCV), welche sich ständig verbreiten und ge ografisch weiter ausbreiten. Wie im Falle von Hepatitis C brauchte es seit der Identifizierung in den 1970ern mehr als 30 Jahre, um die Struktur, Genomorganisation, Lebenszyklus und Virus‐Wirts‐Interaktion vom HCV zu verstehen, welches zu der Heilung einer chronischen und lebensbedrohlichen Krankheit geführt hat. Für die meisten (+)RNA Viren gibt es jedoch keinen Impfstoff oder medikamentöse Behandlung. Eine genaue und umfangreiche Analyse der Viren, ihrer Lebenszyklen und parasitäre Interaktion mit dem Wirt ist daher ein wichtiger Forschungsbereich. In der von mir vorgestellten Dissertation wenden wir mathematische Modelle an, um die Lebenszyklen von (+)RNA Viren zu studieren. Wir analysieren Replikationsmechanismen von nahe verwandten (+)RNA Viren wie HCV, DENV und Coxsackievirus B3 (CVB3) und vergle ichen deren Lebenszyklen in An‐ und Abwesenheit der Wirtsimmunantwort, antiviralen Be handlungsmöglichkeiten undberücksichtigenverschiedenevirale Verbreitungsmechanismen. Zelluläre Wirtsfaktoren tragen zu Zellpermissivität und Replikationseffizienz in vielen viral Lebenszyklen bei. Unsere mathematischen Modelle sagten vorher, dass Wirtsfaktoren, wie zum Beispiel Ribosomen und damit die virale Fähigkeit, die zelluläre Translationsmaschinerie zu übernehmen, eine wesentliche Funktion in der Replikationseffizienz des Virusgenoms an nehmen. AußerdemzeigtenunsereModelle,dassdieVerfügbarkeitvonRibosomenimLeben szyklus der Viren eine ausschlaggebende Rolle im Krankheitsausgang spielen kann: die En twicklung einer akuten oder chronischen Erkrankung. Auch wenn der Wirt Strategien zur Bekämpfung des Virus entwickelt hat, zum Beispiel durch Abbau des Virusgenoms, durch die Blockierung der viralen Proteinproduktion und Verhinderung der Virusverbreitung, fan denViren Strategien, um diese vom Immunsystemproduzierten inhibierenden Wirtsfaktoren entgegenzuwirken. Unsere entwickelten Modelle sagten vorher, dass DENV höchst effizient den Versuch der Zelle, den Eindringling zu erkennen, blockiert. Außerdem fanden wir, dass auch mit effektiven antiviralen Medikamenten, welche die Prozesse im viralen Lebenszyklus blockieren, die HCVRNAReplikationnichtgestopptwird. Wirfandenzudemeinealternative Rute der Virusverbreitung, zum Beispiel durch Exosomen, die HCV RNA in sich tragen. Diese könnten eine mögliche Erklärung für die berichtete Plasma HCV RNA zu Behandlungsende bei einigen Patienten sein. Die präsentierten mathematischen Modelle in meiner Dissertation bieten wertvolle Werkzeuge, um die viralen Replikationsmechanismen im Detail zu studieren. Auch wenn die vorgestellten Modelle die Realität stark vereinfachen, haben diese bekanntes Wissen bestätigt und neue biologische Mechanismen vorhergesagt. In der von mir vorgelegten Dis sertation werde ich die wichtigsten Ergebnisse zusammenfassen und diskutieren und unsere Modellvorhersagen in die breitere wissenschaftliche Literatur kontextualisieren, um zum Ver ständnis der Virusdynamiken und Virus‐Wirts‐Interaktionen beizutragen.