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Fine-specificity and functional quality of the antibody response in mice to whole inactivated West Nile virus and recombinant subunit antigens

Jürgen Zlatkovic

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Franz Xaver Heinz

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DOI

10.25365/thesis.12923

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29979.48108.621961-8

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Flaviviren bilden ein Genus in der Familie Flaviviridae und umfassen eine Reihe von wichtigen Krankheitserregern wie Gelbfieber, Dengue, Japanische Enzephalitis, Frühsommer-Meningoenzephalitis oder West Nil Viren. Aufgrund ihrer weltweiten Verbreitung und dem möglichen Auftreten in neuen geographischen Regionen repräsentieren Flaviviren Krankheitserreger mit hoher epidemiologischer und klinischer Relevanz. Die Struktur von Flaviviren wurde mit Hilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie und Kristallographie des viralen Hauptoberflächenproteins E aufgeklärt. Die nach Infektion oder Immunisierung mit Flavivirus induzierten Antikörper sind protektiv und zum größten Teil gegen E gerichtet. Epitope neutralisierender Antikörper wurden in allen Domänen des E Proteins identifiziert. Breit Flavivirus kreuzreaktive Antikörper, welche an das Fusionspeptid in E binden, haben zwar meist relativ geringe neutralisierende Aktivität, repräsentieren aber generell einen signifikant hohen Anteil in humanen Post-Infektionsseren. Domäne III (DIII)-spezifische Antikörper haben die stärkste neutralisierende Aktivität und bilden in Mäusen einen bedeutenden Anteil an der E Protein spezifischen Antikörperantwort. Im Gegensatz dazu, dominiert beim Menschen die Antikörperantwort gegen das Fusionspeptid. Das Hauptziel dieser Dissertation bestand darin zu erforschen, ob der strukturelle Kontext des Immunogens die Feinspezifität, Immundominanz und funktionelle Qualität von Antikörperantworten beeinflusst. Weiters wurde untersucht, ob es möglich ist, mit sequentiellen Immunisierungen, unter Verwendung der isolierten DIII, die Antikörperantwort auf Epitope stark neutralisierender Antikörper in DIII zu fokussieren. Aus diesem Grund wurde eine Immunisierungsstudie im West Nil Virus System durchgeführt, bei der Mäuse mit Formalin inaktiviertem, gereinigtem Virus (umhüllt von einem kompakten Mantel aus dicht gepackten E Proteinen), dem löslichen E Protein (Monomer) und löslicher isolierter DIII, immunisiert wurden. Die Hauptergebnisse dieser Arbeit wurden im Journal of Virology veröffentlicht (siehe Part I der Dissertation). Die Analyse der Maus-Immunseren zeigte, dass sE einen signifikant höheren Anteil an DIII spezifischen Antikörpern induziert als das Virus, wobei diese in beiden Fällen den Großteil der neutralisierenden Antikörper ausmachten. Die spezifische neutralisierende Qualität der DIII Antikörper war nach Immunisierung mit Virus jedoch 4-fach höher. Die isolierte DIII induzierte nur eine vergleichbar geringe neutralisierende Antwort. Die spezifische neutralisierende Qualität dieser Antikörper war, verglichen mit Virus, zumindest 15-fach geringer, und 50% dieser Antikörper konnten in Absorptionsexperimenten nicht an das Viruspartikel binden. Diese Daten deuten darauf hin, dass das E Protein in seiner dicht gepackten Form an der Oberfläche viraler Partikel hauptsächlich jene Epitope in DIII präsentiert, die Ziele neutralisierender Antikörper sind. Im Gegensatz dazu präsentieren lösliche Antigene Epitope, die an der Oberfläche des viralen Partikels nicht zugänglich sind und somit teilweise Antikörper induzieren die nicht oder weniger zur Neutralisation von infektiösem Virus beitragen. In sequentiellen Immunisierungen mit DIII zeigte sich, dass durch Verabreichung von DIII nach Vorimmunisierung mit Virus oder sE die neutralisierende Antwort, im Vergleich zur Immunisierung mit den homologen Antigenen (sE oder Virus), deutlich gesteigert werden konnte. Wurde DIII jedoch als Grundimmunisierung vor Virus oder sE administriert, wurde eine Reduktion der Antikörperantwort, im Vergleich zu Mäusen ohne Vorimmunisierung, beobachtet. Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse über die Feinspezifität der Antikörperantwort in Mäusen nach Immunisierung mit inaktiviertem Virus und rekombinanten löslichen Antigenen und eröffnet die Möglichkeit mit Hilfe von individuellen, isolierten Domänen die neutralisierende Antwort gegen das Virus zu steigern. Damit können die vorgelegten Ergebnisse zur Entwicklung neuer Immunisierungsstrategien beitragen.

Abstract

(Englisch)

Flaviviruses form a genus in the family of Flaviviridae and comprise a number of important human pathogens, such as yellow fever, dengue, West Nile, Japanese encephalitis, and tick-borne encephalitis viruses. These viruses have a world wide distribution and the potential to emerge in new geographic areas and thus are a major concern for public health. Structurally, flaviviruses are extremely well characterized by a combination of cryo-electron microscopy and X-ray crystallography of the major envelope protein E. Infection or immunization with flaviviruses induces a protective antibody response which is mainly directed to E. Epitopes involved in virus neutralization were identified in all domains of E, having different neutralizing potential. Broadly cross-reactive antibodies, directed to the so-called fusion loop in E, appear to have relatively low neutralizing activity but comprise a major fraction in human post-infection sera. In contrast, antibodies to domain III (DIII) of E have the highest neutralizing potency and represent a significant fraction in murine but not in human post-infection sera. The major objective of this thesis was to investigate the influence of the physical organisation of flavivirus immunogens on the fine-specificity, immunodominance and functional quality of antibody responses. It was a further objective to specifically design prime-boost immunization regimens that focus the antibody response to the highly neutralizing sites of DIII in E. For these purposes, mouse immunization studies were conducted using whole inactivated purified virus (displaying a closed shell of tightly packed E proteins), a monomeric soluble form of E and the isolated DIII of West Nile virus as immunogens.The major findings of this work have been published in the Journal of Virology (Part I of the thesis). Analyses of the post-immunization sera revealed that virion and sE induced significantly different proportions of DIII-reactive antibodies which in both cases dominated the neutralizing response. However, the functional quality of the DIII-reactive antibodies induced by virion immunization was 4 times higher than that after sE immunization, and those induced by the isolated DIII had an even 15-fold lower neutralizing quality compared to the virion. They also failed to completely neutralize the virus and only 50% of these antibodies were able to bind to viral particles. These results suggest that the E protein in its tightly packed arrangement on the surface of whole virions is an extremely efficient form presenting those DIII epitopes that are primary targets for neutralization. In contrast, soluble antigens focus the antibody response not as efficiently to the determinants critical for neutralization but rather induce antibodies to sites not exposed on the viral surface and thus contribute less to neutralization. Further analyses revealed that the avidity of the antibodies for the virus were highest after virion- followed by sE- and DIII-immunization, representing a possible additional contributing factor to the distinct neutralizing quality of the DIII-reactive antibodies. Sequential prime-boost immunization regimens using DIII either for priming or for boosting demonstrated that DIII is an excellent booster antigen which restimulates the DIII specific neutralizing response after priming with virion or sE more strongly than the homologous antigen. Surprisingly, priming with DIII followed by sE or virion immunization resulted in a dampening of the antibody response compared to mice without DIII priming. The data presented provide novel insights into the fine-specificity of the antibody response induced by virus as compared to recombinant subunit vaccines and demonstrated the potential of using an individual protein domain (DIII) for boosting the most strongly virus neutralizing antibodies. These findings have implications for the specific design of future vaccines and vaccination regimens.

Autor*innen

Jürgen Zlatkovic

Haupttitel (Englisch)

Fine-specificity and functional quality of the antibody response in mice to whole inactivated West Nile virus and recombinant subunit antigens

Paralleltitel (Deutsch)

Feinspezifität und funktionelle Qualität der Antikörperantwort in Mäusen auf Immunisierung mit inaktiviertem West Nil virus und isolierten rekombinanten Antigenen

Publikationsjahr

2010

Umfangsangabe

117 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Michael Roggendorf ,

Norbert Nowotny

Klassifikationen

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,

42 Biologie > 42.32 Virologie

AC Nummer

AC08540052

Utheses ID

11631

Studienkennzahl

UA | 091 | 441 | |

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Schlagwörter