Darius Schweinoch

• The innate immune response is the first line of defence against invading pathogens as it quickly triggers the expression of antiviral effectors and signalling molecules to prevent the pathogen’s spread throughout the body. This immune response requires precise regulation, as it not only evokes an antiviral cell state in case of viral infection events, but also initiates apoptosis. This regulation includes multiple feedback regulators and viral proteins interfere with its activation. In the first part of this thesis, we develop an ordinary differential equation (ODE) model that describes the detection of viral RNA (vRNA) by the receptor retinoic acidinducible gene 1 (RIG-I), subsequent immune signalling via the RIG-I and JAK-STAT pathways and the production and expression of interferons (IFNs) and interferon-stimulated genes (ISGs). It combines information from experimental data, literature knowledge, and a published JAK-STAT activation model. Using the model, we reveal that overexpression of the reported feedback-regulator IRF9 has a low impact on ISG expression in adenocarcinoma human alveolar basal epithelial (A549) cells and confirm a crucial role of RIG-I levels on the sensitivity of immune sensing, especially with only single vRNAs present in a cell. A sensitivity analysis of cellular protein levels further reveals IRF3, STAT2, MAVS and RIG-I levels to be crucial for robust ISG expression, all of which are known to be targeted by viral proteins. When incorporating the inhibitory effect of 4 viral antagonists into our model, we predict that either exclusively JAK-STAT signalling, IRF3 signalling or all parts of the immune response model are targeted. Thereby, the potency of virus-induced immune inhibition is projected to be dependent on vRNA concentrations in the cell. In the second part of this work, we study hepatitis C virus (HCV) replication under treatment with different classes of anti-HCV drugs. The precise mode of action is unknown for some of these drug classes, especially for HCV NS5A inhibitors that target a protein without enzymatic activity. Therefore, we establish a model-based workflow to not only quantify the effect of drugs on the intracellular HCV replication, but also employ model selection strategies and identify an effect of the HCV NS5A inhibitor Daclatasvir on the translation and RNA synthesis steps of HCV. We subsequently extend an intracellular HCV replication model towards a multi-level model, which accounts for viral spread within a population of cells in addition to the intracellular HCV life cycle. By performing simulations under drug treatment in this setting and comparing them to experimental observations, we validate our findings for Daclatasvir and identify an effect of the HCV NS3/4A inhibitor Telaprevir on the viral assembly in addition to its known effect on polyprotein processing. Stochastic simulations further highlight the importance of clearance events in newly infected cells to rank drug potency.
• Die angeborene Immunantwort ist die erste Verteidigungslinie gegen eindringende Krankheitserreger. Sie führt zu einer schnellen Hochregulation antiviraler Effektoren und Signalmoleküle, um die Ausbreitung von Erregern im Körper zu verhindern. Diese Immunreaktion muss präzise gesteuert werden, da sie neben antiviralen Zellzuständen auch Apoptose einleiten kann. Die Regulierung umfasst daher eine Vielzahl von Feedback- Regulatoren und auch virale Proteine verändern gezielt die Aktivierung der Signalkaskaden. Im ersten Teil dieser Arbeit entwickeln wir ein Modell gewöhnlicher Differentialgleichungen, das die Detektion viraler RNA (vRNA) durch den RIG-I-Rezeptor, die anschließende Aktivierung der RIG-I- und JAK-STAT-Signalwege und die Produktion und Expression von Interferonen (IFNs) und Interferon-stimulierten Genen beschreibt. Das Modell kombiniert Informationen aus experimentellen Daten und Literaturwissen mit einem veröffentlichten Modell für den JAK-STAT-Signalweg. Anhand unseres Modells zeigen wir, dass die Überexpression des Feedback-Regulators IRF9 eine geringe Auswirkung auf die ISG-Expression in A549-Zellen hat, und bestätigen eine entscheidende Rolle der RIG-I-Konzentration auf die Sensitivität des Immunsystems. Diese ist vor allem wichtig, wenn nur einzelne vRNAs in einer Zelle vorhanden sind. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt darüber hinaus eine ausschlaggebende Rolle von IRF3, STAT2, MAVS und RIG-I für eine robuste ISG-Expression auf. All diese Proteine werden von viralen Proteinen angegriffen und je nach Angriffspunkt in der Immunkaskade sind entweder nur der JAK-STAT-Signalweg, nur der IRF3-Signalweg, oder alle Teile der Immunantwort betroffen. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Replikation des Hepatitis-C-Virus (HCV) und den Einfluss von verschiedenen Anti-HCV-Medikamentenklassen. Die genaue Wirkungsweise ist für einige dieser Medikamentenklassen unbekannt, insbesondere für HCV-NS5A-Inhibitoren, die mit einem viralen Protein ohne enzymatische Aktivität interagieren. Deshalb etablieren wir eine modellbasierte Analyse, die nicht nur die Wirkung von Medikamenten auf die intrazelluläre HCV-Replikation quantifizieren kann, sondern auch modellbasierte Einschätzungen geben kann welche Schritte im HCV-Lebenszyklus am wahrscheinlichsten von Medikamenten angegriffen werden. So identifizieren wir einen Einfluss des HCV-NS5A-Inhibitors Daclatasvir auf die Translation und RNA-Synthese von HCV. Anschließend erweitern wir das intrazelluläre HCVReplikationsmodell, damit es auch die Ausbreitung des Virus innerhalb einer Zellpopulation beschreibt. Wir validieren unsere Ergebnisse für Daclatasvir und stellen fest, dass der HCV-NS3/4A-Inhibitor Telaprevir zusätzlich zu seiner bekannten Wirkung auf die Polyproteinverarbeitung auch eine Wirkung auf den viralen Aufbau zu haben scheint. Stochastische Simulationen unterstreichen außerdem, wie wichtig es ist, direkt nach der Infektion einer Zelle die Bildung von HCV-Replikationsstrukturen zu inhibieren. Hierfür sind unterschiedliche Medikamentenklassen unterschiedlich gut geeignet.