Doctoral Thesis
Die Afrikanische Schweinepest (ASP) ist eine Viruserkrankung, die Mitglieder der Suidae-Familie wie Buschschweine, Warzenschweine, Hausschweine und Wildschweine befällt. Das Virus wird durch direkten Kontakt zwischen infizierten und naiven Tieren, durch Zecken der Gattung Ornithodoros oder durch Kontakt mit kontaminiertem Material übertragen. Während die Krankheit bei Warzenschweinen und Buschschweinen im Allgemeinen asymptomatisch verläuft, verursacht die ASP eine hohe Mortalität bei Hausschweinen und Wildschweinen. Daher ist die jüngste Ausbreitung von ASP in Europa eine ernste Bedrohung für die Schweinehaltung in der EU. Bis heute ist keine wirksame Behandlung oder Impfung verfügbar. Und es liegen nur wenige Informationen über Virus-Wirt-Wechselwirkungen vor, die als Grundlage für die Etablierung antiviraler Strategien verwendet werden könnten.
Das Virus der afrikanischen Schweinepest (African swine fever virus, ASFV) ist der einzige bekannte Vertreter der Familie der Asfarviridae. Das DNA-Genom des ASFV kodiert für über 150 Gene. Über die Expressionsprodukte ist wenig bekannt, nur wenige virale Proteine sind bisher funktionell charakterisiert. Die Morphogenese von ASFV ist sehr komplex. So entstehen neben den zweifach umhüllten reifen extrazellulären Virionen auch einfach umhüllte intrazelluläre Partikel, die die die Präparation reiner extrazellulären Virionen erschweren.
In früheren in vitro Studien wurde die Zusammensetzung der extrazellulären Viruspartikel mittels 2D-Gelelektrophorese analysiert. Die Reinigung erfolgte über ein im Jahre 1985 veröffentlichtes Reinigungsprotokoll, welches auf einer Percolldichtegradientenzentrifugation und einer Gelchromatographie basierte. Das Protokoll wurde für die Reinigung des auf Vero-zellen adaptierten Virusstamm Ba-71V etabliert. In einer frühen MS Studie wurden 54 Proteine in ASFV Partikeln detektiert, 15 davon Wirtsproteine. Der Einbau von Aktin, α-Tubulin und β-Tubulin ins Virion konnte ebenfalls bestätigt werden. Systematische massenspektrometrische Untersuchungen zur Charakterisierung des Proteoms der ASF Virionen lagen zu Beginn der vorliegenden Dissertation nicht vor, erst während der Anfertigung des Manuskripts wurde eine solche Studie durch Alejo et al. veröffentlicht.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf einer Dichtegradientenzentrifugation ohne nachfolgende Gelchromatographie beruhendes Reinigungsprotokoll entwickelt und die Zusammensetzung reifer ASF Viruspartikel mittels MALDI-TOF/TOF Massenspektrometrie analysiert. Zur Anzucht einer GFP-positiven ASFV OUR T88/3 Mutante wurde die vom Wildschwein abstammende Zelllinie WSL-HP verwendet. Wesentliche Schritte der Reinigung waren eine niedertourige Zentrifugation zur Entfernung zellulärer Verunreinigungen, gefolgt von einer Sedimentation des Virus durch ein Saccharosekissen und einem Proteaseverdau. Final wurde die Präparation über einen selbstgenerierenden Optiprep™ Dichtegradienten gereinigt. Die Titerausbeute lag zwischen 30 und 70 %, die spezifische Infektiosität bei 2,4 x 109 TCID50/mg. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die Präparation zwar Virionen enthielt, aber auch, dass die Fixierung mit Glutaraldehyd die Stabilität der Virionen beeinträchtigt.
In der massenspektrometrischen Analyse wurden 29 der 33 bekannten ASFV Strukturproteine bestätigt. Von den neu identifizierten Strukturproteinen konnten vier (pK145R, pC129R, pE146L und pI73R) in allen drei Replikaten und sechs in zwei von drei Replikaten (p5, CP123L, CP312R, E184L, M1249L und M2248R) bestätigt werden. Ein weiteres bis dato nicht charakterisiertes Protein, p285L, konnte als mögliches neues Strukturprotein identifiziert werden. 152 Wirtsproteine wurden im Virion detektiert, darunter hauptsächlich Membranproteine oder Proteine des Zytoskeletts. Daneben wurde eine Reihe an phospholipidbindenden Proteine gefunden. Unter den identifizierten Proteinen waren fünf aus dem glatten ER und einige Vertreter der Hitzeschockproteine.
Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte das intrazelluläre Proteom des ASFV identifiziert werden.
Für diese Untersuchungen wurden drei empfänglichen Zelllinien verwendet, die vom Wildschwein abstammenden Linie WSL-HP, Vero Zellen, die in der Vergangenheit für viele Studien herangezogen wurde und die menschliche Linie HEK-293, die aus einem weiteren nicht empfänglichen Wirt stammt.
Der in dieser Studie verwendete Virusstamm ASFV OUR T88/3 besitzt 157 ORFs. In früheren Studien konnte die Existenz eines Proteins für 44 ORFs bestätigt werden. Für weitere 69 ORFs wurden Transkripte, nicht aber die korrespondierenden Proteine, beschrieben, sodass für 44 ORFs kein Nachweis der Expression vorlag.
In der massenspektrometrischen Analyse wurden je Wirtszelle rund 1000 Proteine identifiziert. Insgesamt belief sich die Zahl der identifizierten ASFV Proteine auf 94, davon 88 in WSL-HP, 83 in Vero und 57 in HEK-293 Zellen. 54 ASFV Proteine wurden in allen drei Zelllinien detektiert. Für 34 der identifizierten ASFV Proteine war bisher nur die Existenz des Transkripts beschrieben, für 23 weitere weder die Existenz eines Proteins noch eines Transkripts. Für 44 der 94 identifizierten Proteine wurde das N-terminales Peptid detektiert. Bei fünf der MGF-110 Proteinen (1L, 2L, 4L, 5L und 14L) und den Proteinen pI329L und pCP123L wurde die Abspaltung der vorhergesagten Signalsequenz experimentell bestätigt.
Die MS Analysen wurden unter Verwendung des emPAI auch quantitativ ausgewertet.
Die geringe Zahl detektierter ASFV Proteine in HEK-293 Zellen korrelierte mit dem geringeren Anteil an ASFV Proteinen im Gesamtproteingehalt der Zelle (6,3 Mol%). Allerdings wurden einige Proteine in HEK-293 Zellen ähnlich stark oder sogar stärker exprimiert als in Vero bzw. WSL-HP Zellen. Die Abundanz einzelner ASFV Proteine variierte in den verschiedenen Zelllinien. Einige wurden jedoch durchgehend stark exprimiert wie z.B. das Strukturprotein p11.5. Einige bisher nicht charakterisierte Proteine, wie z.B. pK145R, pI73R und pC129R, wurden überraschenderweise ebenfalls in allen Zellen stark exprimiert und sind somit möglicherweise Träger wichtiger viraler Funktionen, die weiter untersucht werden sollten.
To enable control of African swine fever (ASF) in Eastern and Southern Africa, prototype live vaccine candidates were generated by targeted gene deletions from a Kenyan genotype IX ASF virus (ASFV). It was attempted to delete known nonessential genes involved in virulence (encoding TK, dUTPase, CD2v, 9GL), possibly essential genes (p12, pA104R, ribonucleotide reductase), and genes with widely unknown functions (pK145R). Isolation of the desired virus recombinants by plaque assays or limiting dilutions on a wild boar lung cell line (WSL-HP) was facilitated by substitutive reporter gene insertions encoding fluorescent proteins (GFP, DsRed), or the human membrane protein CD4. The latter protein permitted enrichment of recombinant virus particles by magnetic activated cell sorting (MACS). The isolated ASFV recombinants were characterized by PCR and sequencing of the mutated genome parts, and replication kinetics and virus spread in cell culture were investigated. Deletion of TK, CD2v, or pK145R had no detectable effect on in vitro growth of ASFV Kenya. Interestingly, virus mutants lacking the DNA binding protein pA104R which has been considered to be essential for DNA replication, also exhibited almost wild type-like growth properties.
In contrast, ASFV mutants lacking ribonucleotide reductase or p12 could not be purified to homogeneity on WSL-HP cells, indicating these proteins are essential for virus replication in cell culture. Therefore, trans-complementing cells lines stably expressing ASFV p12 have been prepared which can now be used for mutant virus purification. If this approach is successful the resulting defective mutant ASFV Kenya-p12 might be suitable as a safe “disabled in second cycle” (DISC) live vaccine in swine.
In a novel approach to improve reverse genetics of ASFV the CRISPR/Cas9 cell line WSL-gRp30 (Hübner et al., 2018a) was co-transfected with genomic DNA of ASFV-KenyaCD2vDsRed, sgRNA plasmids targeting K145R or 9GL, and GFP-expressing recombination plasmids for homology-directed repair. For booting up of the noninfectious virus genome the cells were infected with phylogenetically distant helper virus (genotype II ASFV Armenia, 84% identity) which was selectively inhibited on the used cell line. The desired double-fluorescent double-deletion mutants could be isolated after few plaque purification steps on selective WSL-gRp30 cells. Next generation sequence (NGS) analyses of reconstituted ASFV Kenya genomes showed that no unwanted recombination with the helper virus occurred, indicating that the method might be also suitable for booting of synthetic ASFV genomes cloned and mutagenized in E. coli or yeast.
The modified CRISPR/Cas9 system of S. pyogenes might be also usable for generation of ASFV resistant pigs. To evaluate this alternative control measure WSL cell clones stably expressing Cas9 nuclease and single or multiple sgRNAs against essential ASFV proteins were prepared and tested for their susceptibility to infection. Strain specific sgRNAs targeting the p30 gene of ASFV Kenya or Armenia selectively inhibited the respective viruses, and a p12 gene-specific sgRNA abrogated replication of both genotypes almost completely. Interestingly, coexpression of four ASFV-specific sgRNAs did not enhance virus inhibition, but might help to reduce the frequency of escape mutants which were occasionally isolated from the single sgRNA-expressing cells, and exhibited silent base substitutions or in-frame deletions within the target genes. First attempts to express the in vitro tested CRISPR/Cas9 constructs in transgenic pigs are in progress.
CRISPR/Cas9 supported rescue of a defective BAC clone of pseudorabies virus (PrV) vaccine strain Bartha (Hübner et al., 2018b) was used to develop putative vectored vaccines against ASFV. In the present study expression cassettes for the codon-optimized p12 and p54 genes of ASFV were successfully inserted into the PrV genome. The insertions did not significantly affect PrV recombination in cell culture, and the transgenes were expressed at similar levels as in ASFV-infected cells. It has to be tested whether coinfection with vector constructs for these and other immunogenic ASFV proteins is able to protect pigs against a lethal challenge.
For characterization of the generated ASFV mutants and PrV vector constructs, monospecific antisera against several ASFV gene products (p11.5, p12, p54, pK145R, p285L) were prepared by immunization of rabbits with bacterial GST fusion proteins. The anti-p12 serum showed only weak and strain-specific reactions with the ASFV Kenya protein, but was nevertheless useful for identification of p12-expressing PrV recombinants and WSL cell lines. All other sera showed satisfying reactions in Western blot and mostly immunofluorescence analyses, and allowed i.a. precise localization of the pK145R and p285L proteins in ASFV-infected cells and virions (Hübner et al., 2019).
