Molecular escape mechanisms due to patterns of resistance-associated amino acid variants in the hepatitis C virus NS3 protease

• Applicant: Professor Dr. Christoph Welsch
• Subject Area: Gastroenterology ; Pharmacology
• Term: from 2013 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 238386962

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Die Zulassung direkt-antiviral wirksamer Medikamente hat die Behandlung der chronischen Hepatitis C Virusinfektion nachhaltig verändert. Inzwischen kann bei der Mehrzahl aller Infizierten ein dauerhaftes virologisches Ansprechen erreicht werden. Im Falle der Patienten die auch mit diesen neuesten Therapieregimen keine Viruseradikation erreichen, spielen wahrscheinlich komplexe, teils Wirkstoff-unabhängige Mechanismen eine entscheidende Rolle. Interessanterweise haben wir für die NS3-4A Protease weniger Wirkstoff-assoziierte Resistenzmuster mit Fitness-kompensatorischen second-site Austauschen entdeckt als initial erwartet. Stattdessen konnten wir mehrere Mechanismen identifizieren, die die angeborene Immunität des Wirtsorganismus blockieren bzw. eine Detektion des Virus durch das Immunsystem und eine nachgeschaltete Immunantwort erschweren. Ein solcher Mechanismus der möglicherweise virale Langzeitpersistenz in infizierten Hepatozyten ermöglicht, beeinflusst die Konformation membrangebundener Komponenten der HCV Replikase im Sinne eines HCV-spezifischen negativen Feedback. Eine entscheidende Rolle spielt hierbei die Detektion von Lipidperoxidation und nachfolgend eine Anpassung der Replikationseffizienz zur Vermeidung von oxidativem Stress und einer damit einhergehenden zellulären Immunantwort. Weiterhin konnten wir Mechanismen der Virusevolution und Adaptation im Wirtsorganismus im Zusammenhang mit der Interaktion der NS3-4A Protease mit Wirtsfaktoren charakterisieren. Entsprechende Mechanismen konnten wir für D168-Varianten der NS3-4A Protease beschreiben, welche insbesondere bei Patienten mit einem fortgeschrittenen Leberparenchymschaden unter Therapie mit makrozyklischen Proteaseinhibitoren selektioniert werden. D168-Varianten zeigen eine hocheffiziente Adaptation der Protease auf das Immun-Adaptorprotein MAVS mit rascherem MAVS-Cleavage und effizienter Blockade der nachgeschalteten zellulären Signalkaskade und somit verminderter IFN-β Produktion. Mechanistisch konnten wir hier ein Netzwerk aus elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Protease und Peptid identifizieren, welches die Interaktion der Protease mit unterschiedlichen Substraten unterstützt und dadurch entscheidend ist für die Bindungsaffinität zum Liganden. Bisher unveröffentlichte Daten am aufgereinigten Protein und Moleküldynamiksimulationen legen nahe, dass sowohl Resistenz-assoziierte als auch Fitness-kompensatorische Austausche dieses Netzwerk mitunter kritisch beeinflussen und eine selektive Verschiebung der Affinität zu einzelnen Substraten nach sich ziehen. Hieraus ergeben sich bisher nicht beschriebene teils negative Effekte auf die Fitness einzelner Varianten und wahrscheinlich entscheidende strukturelle Einschränkungen (structure constraints), die die Virusevolution unter medikamentösem Druck nur in sehr eingeschränktem Maße ermöglichen. Die hier beteiligten molekularen Mechanismen und Protease-Wirt Interaktionen sollen im Rahmen eines Folgeprojektes aufgeklärt werden.

Publications

• Treatment of Hepatitis C. In Viral Hepatitis; 4th Edition. Editors: Thomas HC, Lok ASF, Locarnini SA, Zuckerman AJ. Wiley-Blackwell 2013:362-76
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  Yi M, Hu F, Joyce M, Saxena V, Welsch C, Chavez D, Guerra B, Yamane D, Veselenak R, Pyles R, Walker CM, Tyrrell L, Bourne N, Lanford RE, Lemon SM
  
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  Yamane D, McGivern DR, Wauthier E, Yi M, Madden VJ, Welsch C, Antes I, Wen Y, Chugh PE, McGee CE, Widman DG, Misumi I, Bandyopadhyay S, Kim S, Shimakami T, Oikawa T, Whitmire JK, Heise MT, Dittmer DP, Kao CC, Pitson SM, Merrill AH Jr, Reid LM, Lemon SM
  
• Hepatitis C virus variants resistant to macrocyclic NS3-4A inhibitors subvert IFN-β induction by efficient MAVS cleavage. J Hepatol 2015;62:779-84
  Welsch C, Haselow K, Gouttenoire J, Schneider M, Morikawa K, Martinez Y, Susser S, Sarrazin C, Zeuzem S, Antes I, Moradpour D, Lange CM
  
• Natural HCV variants with increased replicative fitness due to NS3 helicase mutations in the C-terminal helix α18. Sci Rep 2016;20:19526
  Stross C, Shimakami T, Haselow K, Ahmad MQ, Zeuzem S, Lange CM, Welsch C
  
• Protease Inhibitor Resistance. In Handbook of Antimicrobial Resistance. Editors: Gotte M, Berghuis A, Matlashewski G, Sheppard D, Wainberg MA. Springer 2018:21-40
  Vermehren J, Welsch C, Sarrazin C