Influenza A virus modulation of mitochondria dynamics

Abstract

Mitochondria were originally described as the power house of the cell, but their importance expanded as their role in controlling several death processes was discovered. Recently, this organelle also emerged as the central player in a number of cellular innate immune responses, in particular interferon (IFN) responses, which constitute the first line of defence against intracellular pathogens. Mitochondria thus operate in response to cellular insults, ultimately deciding its fate. Interestingly, all mitochondria functions are intimately related to dynamic changes in their morphology and distribution. Morphological changes operate by fusion and fission events that are regulated by dynamin-like large GTPases, some of them already existing within the mitochondria (mitofusins) whilst others requiring active recruitment (dynamin-related protein 1, Drp1). The emerging view is that trafficking of cytoplasmic Drp1 to the mitochondria is a crucial regulatory step in mitochondrial responses. It has been demonstrated that many viruses interfere with mitochondria dynamics to favour infection at specific steps. Influenza A virus (IAV) is an important human pathogen responsible for acute respiratory disease, which provokes yearly epidemics and occasional pandemics. Pathogenicity of infection has been associated with the ability to modulate immune responses. One report suggested that IAV decreases innate immunity activation by inducing mitochondria fragmentation. However, the knowledge on the mitochondria-IAV interplay remains largely unexplored. This thesis aims to study the effects of IAV infection in mitochondria dynamics, by elucidating the changes in mitochondria morphology during infection and determining the host and viral factors involved. The ultimate goal is to understand the mechanisms by which the IAV modulates mitochondria dynamics and elucidate the functional relevance of this process. Our results indicate that infection leads to mitochondria fragmentation of two types: complete fragmentation and fragmented mitochondria localised at the periphery. We further assessed that at least three viral components modulate mitochondria shape, the viral proteins NS1, PB1-F2 (and/or PB1-N40) and vRNPs. In addition we have tested the role of two host GTPases in the process: Drp1 and Arl17. Our results strongly suggest that Drp1 is implicated in mitochondria fragmentation during IAV infection whilst Arl17, although essential for infection, might operate at the level of mitochondria quality control.

A mitocondria foi inicialmente identificada e descrita pelas suas funções no metabolismo celular e pelo seu papel na produção de grandes quantidades de energia na forma de ATP. A relevância deste organelo aumentou à medida que se descobriu que a mitocondria desempenha um papel fundamental em diversos processos de morte celular e, mais recentemente, em vários mecanismos de resposta imune inata da célula, particularmente, na activação de interferão que constitui a primeira linha de defesa contra agentes patogénicos intracelulares. A mitocondria adapta as suas funcionalidades em resposta a um estimulo celular e, em última análise, decide o destino da célula. Todas as funções mitocondriais estão relacionadas com alterações dinâmicas na sua morfologia e distribuição celular. A morfologia mitocondrial é alterada por processos de fissão e fusão que são reguladaos por GTPases, algumas, como as mitofusinas, estão presentes na mitocondria e outras, como a Drp1, necessitam de ser recrutadas para o organelo. A Drp1 é uma proteína citoplasmática e o seu recrutamento para a mitocondria é visto como um passo regulador das respostas e funções mitocondriais. A literatura descreve a forma como diversos vírus alteram a dinâmica mitocondrial de modo a favorecer a progressão da infecção. O vírus influenza A (IAV) é um importante agente patogénico em humanos e é responsável por epidemias sazonais e pandemias ocasionais. A patogenicidade da infecção está directamente relacionada com a capacidade do vírus modular a resposta imune da célula e uma das formas de o fazer é induzindo a fragmentação da mitocondria de modo a diminuir a activação da resposta imune inata. No caso do IAV, há ainda muito por explicar em relação à interacção entre a mitocondria e o vírus. Por isso mesmo, os objectivos desta tese são o estudo dos efeitos da infeção pelo IAV na dinâmica mitocondrial, identificando alterações morfológicas da mitocondria e determinando se as alterações observadas são provocadas pelo vírus ou, pelo contrário, pela resposta da célula à infecção. O objectivo último deste estudo é perceber os mecanismos que o IAV utiliza para modular a dinâmica mitocondrial e elucidar qual a função deste processo. Os nossos resultados indicam que a infecção pelo IAV leva a um aumento da segmentação mitocondrial que pode ser uma fragmentação completa do organelo ou uma fragmentação localizada na periferia da célula. A nossa análise indica que pelo menos três componentes virais modulam a morfologia mitocondrial: as proténas virais NS1 e PB1-F2 e/ou complexos virais denominados ribonucleoproteínas. Este estudo também envolveu a análise do papel de duas GTPases celulares na modulação da mitocondria durante a infeção: a Drp1 e a Arl17. Os nossos resultados sugerem que a Drp1 está implicada na fragmentação da mitocondria enquanto a Arl17 parece estar a actuar a nível do controlo da qualidade da mitocondria, não deixando, contudo, de ser essencial para a infeção.