Das Hämagglutinin (HA) des Influenzavirus ist post-translational durch S-Acylierung von drei Cysteinen modifiziert. Zwei davon befinden sich in seiner zytoplasmatischen Domäne (CD) und enthalten Palmitat und eines am Cytosol-zugewandten Ende der Transmembranregion (TMR) wird bevorzugt mit Stearat acyliert. Es wird vermutet, dass entweder die Aminosäureumgebung der Acylierungsstelle oder dessen Lage relativ zur Membran bestimmt welcher Fettsäuretyp angeheftet wird. Diese Acylierungstellen sind zudem essentiell für die Virusreplikation. Ob auch andere Aminosäuren der CD essentiell sind, ist nicht bekannt. Nach einem umfangreichen Sequenzvergleich zur Identifikation konservierter Aminosäuren wurden rekombinante Viren mit Aminosäureaustauschen in der Nähe der drei Acylierungstellen hergestellt. Diese Austausche enthielten Punktmutationen, Verschieben des TMR Cysteins in die CD sowie die Deletion der gesamten CD. Viren ohne CD und ein Austausch neben einem acylierten Cystein verhinderten die Virusreplikation. Eine konservative Substitution derselben Position, andere Austausche in TMR und CD sowie das Schieben des TMR-Cysteins in die CD dagegen beeinflussten das Viruswachstum nur schwach. Einige der mutierten Codons revertierten zur ursprünglichen oder einer neuen Aminosäure. Rekombinante Viren wurden in MDCK-Zellen und embryonierten Hühnereiern vermehrt und mittels Massenspektrometrie analysiert. Es wurden keine unteracylierten Peptide detektiert, und selbst die zwei Letalmutationen behielten die Acylierung. Punktmutationen beeinträchtigten nur mäßig den Stearat-Gehalt, wogegen die Verlagerung des TMR-Cysteins in die CD die Stearylierung praktisch eliminierte. Mehr Stearat wurde angeheftet, wenn humane Viren in Säugerzellen im Vergleich zu aviären Zellen angezüchtet wurden. Die Position einer Acylierungsstelle repräsentiert relativ zur TMR-Spanne das Hauptsignal der Stearylierung während der Sequenzkontext und der Zelltyp das Fettsäuremuster modulieren. / Influenza virus’s hemagglutinin (HA) is post-translationally modified by S-acylation of three cysteines. Two are located in its cytoplasmic tail (CT) and contain palmitate and one at the end of the transmembrane region (TMR) is acylated primarily with stearate. It is hypothesized that either the acylation site’s amino acid environment or its location relative to the membrane determines which type of fatty acid is attached. Additionally, these acylation sites are essential for virus replication. Whether other amino acids in the CT are required for virus replication, is not known. Based on a comprehensive sequence comparison to identify conserved amino acids, recombinant viruses with amino acid substitutions in the vicinity of HA’s acylation sites were created. These substitutions included point mutations, shifting of a TMR cysteine to the CT and the deletion of the entire tail. The truncated tail mutation and a substitution adjacent to an acylated cysteine disabled virus replication. In contrast, a conservative substitution at this position, other exchanges in TMR and CT and moving the TMR cysteine to the CT had only subtle effects on virus growth. Yet, some of the mutated codons reverted to the original or other amino acids. Recombinant viruses were propagated in MDCK cells and embryonated chicken eggs and analyzed by mass spectrometry. No under-acylated peptides were detected, even the two lethal mutations did not abolish acylation. Point mutations only moderately affected the stearate content, while relocating the TMR cysteine to the CT virtually eliminated attachment of stearate. More stearate was attached if human viruses were grown in mammalian compared to avian cells. Hence, the location of an acylation site relative to the TMR represents the principal signal for stearate attachment, while the sequence context and the cell type modulate the fatty acid pattern.

Hämagglutinin (HA) des Influenzavirus ist eine mögliche Zielstruktur für antivirale Therapeutika. Aus der Menge experimenteller HA-Inhibitoren stechen die kürzlich beschriebenen Q-beta-Sialoside aufgrund ihrer hohen Affinität und akkuraten, multivalenten Abbildung der Rezeptorbindungsstellengeometrie hervor. Anknüpfend an diese Eigenschaften beschreibt die vorliegende Arbeit die Erweiterung der Q-beta-Sialosidplattform durch neuartige Varianten und Anwendungsgebiete. Verschiedene Strategien für die Entfernung von Lipopolysacchariden aus Kapsidproben wurden untersucht, wobei sich das Verfahren der Cloud Point als am besten geeignet herausstellte. Das gereinigte Material war geeignet für in vivo Versuche. Teilsialylierte Kaspidvarianten wurden auf ihre inhibitorische Aktivität untersucht und im Vergleich der Ergebnisse mit statistischen Berechnungen Hinweise auf einen vorherrschend trivalenten Bindungsmodus zwischen Q-beta-Sialosiden und HA gefunden. Die Arbeit beinhaltet die ersten Beispiele heterobifunktionaler Q-beta-Sialoside, die verschiedene Sialinsäureliganden oder Kombinationen aus Zuckern und Fluoreszenzfarbstoffen aufweisen. Die fluoreszenzmarkierten Kapside wurden in Mukus-Mobilitätsstudien angewendet und ihre Undurchgängigkeit der äußeren Mukusbarriere visualisiert. Mehrere Sialinsäureester wurden als potenzielle ladungsmaskierte Liganden für erhöhte Mukusgängigkeit untersucht. Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeit war die Entwicklung eines peptidbasierten HA-Inhibitors. Eine Gruppe von aus HA-bindenden Antikörpern und Lactoferrin abgeleiteten Peptiden wurde mit Hilfe der mikroskaligen Thermophorese auf ihre Affinität zu HA oder Influenza A/X31 (H3N2) getestet. Die vorläufigen Resultate weisen auf eine gute Bindung mehrerer Kandidaten hin. Multivalente Peptid-Polymer-Konjugate wurden auf Basis von linearem Polygylcerol niedrigen Molekulargewichts synthetisiert, jedoch zeigte keines eine Inhibierung der getesteten Influenzastämme. / The influenza virus hemagglutinin (HA) attracts much attention as a target widely unexploited by licensed therapeutics. From the numerous experimental HA inhibitors, the recently reported Q-beta sialosides stand out through their affinity and accurate, multivalent reflection of the receptor binding site geometry. Building upon these characteristics, this work expands the variety of the Q-beta sialoside platform with novel variants and explores new areas of application. Several strategies were compared to remove lipopolysaccharides from capsid preparations, determining cloud point extraction as the most suitable. The purified material shown to be suitable for in vivo experiments. The inhibitory activities of partially sialylated capsids were compared to statistical models to obtain evidence for the prevalence of trivalent interactions between Q-beta sialosides and HA. Moreover, this work contains the first examples of heterobifunctional Q sialosides, bearing multiple sialic acid (SA) ligands or combinations of sugars and fluorescent dyes. Fluorescently labeled Q-beta sialosides were applied in mucus mobility studies to visualize their entrapment in the outer mucus layer. Several SA esters were examined as potential masked-charge ligands to increase mucus permeation. A second focal point of the thesis was the design of a novel, peptide-based HA inhibitor. A library of peptides derived from HA-binding antibodies and lactoferrin was investigated using microscale thermophoresis for binding to recombinant HA or influenza A/X31 (H3N2) concentrate. Preliminary results indicated good affinity for some candidates. Multivalent polymer-peptide conjugates of several peptides were synthesized by immobilization on low molecular weight linear polyglycerol. However, none of the conjugates was able to inhibit influenza strains A/X31 (H3N2) or A/PR8 (H1N1) in a hemagglutination inhibition test.

Die Aufklärung der Prozesse, die zur Zusammensetzung des Influenza A Virus führen, ist Bestandteil für die Bekämpfung dieser Infektionskrankheit. Der Viruspartikel setzt sich aus einer Hülle, der darunter liegenden Matrix und dem Genom zusammen. Das Genom ist als Bündel aus acht Ribunucleoproteinkomplexen organisiert. Die Hülle besteht aus einer Membran, die mit Sphingomyelin und Cholesterol angereichert ist und den darin eingebetteten Membranproteinen Hämagglutinin, Neuraminidase und dem Protonenkanal M2. Die unter der Hülle liegende Matrix wird von einem einzigen Influenzaprotein formiert: Dem Matrixprotein M1. Es spielt eine Schlüsselrolle im Replikationszyklus des Virus in der Zelle. Es interagiert mit dem genetischen Material, mit den Membranproteinen und der Lipidmembran der Hülle. Die vorliegende Arbeit gibt Auskunft, welche Lipide eine Rolle in der M1-MembranWechselwirkung spielen. Die Liste der identifizierten Lipide umfasst neben dem bereits bekannten Phosphatidylserin auch Phosphatidylglycerol und Phosphatidsäure. Verschiedene Phosphatidylinositole konnten ebenfalls identifiziert werden. Als stärkster M1 Bindungspartner trat dabei Phosphatidylinositol-4-Phosphat zutage. Weitere auf Mutanten basierende Untersuchungen zeigten, dass der membranbindende Bereich nicht auf eine einzelne Domäne in M1 festgelegt werden kann. Die N-terminale M1-Domäne mit ihrem Oberflächen-exponierten, positiv geladenen Areal und die C-terminale Domäne interagierten mit Modellmembranen. Das Resultat dieser Interaktionen konnte mittels mikroskopischer Untersuchungen an gigantischen unilamellaren Vesikeln dokumentiert werden. Für M1 und für eine Mutante, die nur aus der N-terminalen M1-Domäne besteht, konnte eine von anderen viralen Proteinen unabhängige homooligomere Organisation auf der Membran gezeigt werden. Diese M1-Cluster könnten während der Zusammensetzung des Viruspartikels als Fundament für die Eingliederung aller weiteren viralen Komponenten dienen. / about the assembly process of the influenza A virus particle is essential for the development of effective approaches for prevention and treatment of this virus infection. The virus particle consists of an envelope, an underlying matrix, and the encapsulated genome. The genetic material is organized as bundle of eight ribonucleoprotein complexes that encode for eleven proteins. The envelope consists of a lipid bilayer that is enriched in sphingomyelin and cholesterol. The viral spike proteins, hemagglutinin and neuraminidase, as well as the proton channel M2 are embedded into this membrane. The matrix can be found below the envelope. It is formed by one single protein, the matrix protein M1. M1 plays a crucial role during the replication of the virus in the cell. It interacts with the genetic material, with the envelope proteins and with the lipid bilayer of the envelope. The results of this study reveal in detail which lipids are targeted by M1. The set of identified lipids contains phosphatylglycerol and phosphatidic acids as new binding partners, beside the known phophatidylserine. Additionally, several phosphatidylinositols were identified. Phosphatidylinositol-4-phosphate was the strongest binding partner from this group. Mutant-based analysis revealed that M1 owns more than one membrane binding site. The positively charged area in the N-terminal and the C-terminal domain mediated membrane association of the respective mutant protein. The final constitution of M1 on the membrane was characterized by confocal fluorescence microscopy on giant unilamellar vesicles. Full length M1 and a mutant that consisted only of the N-terminal part of M1 showed lateral clustering of homooligomers on the vesicle surface. The clusters formed independently of any other viral component. A function as fundament for the incorporation of the other viral components can be assumed for these clusters.

Die Assemblierung von Influenzaviren erfolgt an Rafts der apikalen Wirtszellplasmamembran mit denen das Hämagglutinin (HA) über Acylierungen im C-Terminus und hydrophobe Aminosäuren seiner Transmembrandomäne (TMD) interagiert. M2 besitzt eine cytoplasmatische amphiphile Helix (AH), die ebenso potenzielle Raft-Motive aufweist: Eine Acylierung und Cholesterol-Bindemotive. In dieser Arbeit wurde per Konfokalmikroskopie an polarisierten Zellen, die fluoreszenzmarkierte M2-Varianten exprimierten, gezeigt, dass diese M2-Motive nicht für den apikalen Transport, der vermutlich durch Raft-ähnliche Vesikel erfolgt, benötigt werden. Messungen des Förster-Resonanzenergietransfers über Fluoreszenz-Lebenszeit-Mikroskopie (FLIM-FRET) in der Plasmamembran lebender Zellen, die fluoreszenzmarkiertes HA und M2 koexprimierten, ergaben, dass diese Motive auch nicht für die Interaktion mit den durch HA, in Abhängigkeit von dessen Raft-Motiven, stabilisierten Raft-Domänen notwendig sind. Mittels reverser Genetik konnten infektiöse WSN-Viren mit fehlender Acylierung am Ende der HA-TMD, nicht jedoch Viren ohne die zwei cytoplasmatischen Acylierungen hergestellt werden. Weiterhin ergaben Wachstumsanalysen, dass die Acylierung von HA und M2 für den gleichen Schritt des viralen Replikationszyklus von Bedeutung sind. Für die M2-AH wurde postuliert, dass sie die Membrankrümmung detektiert und durch Insertion in die Wirtszellmembran die Virusabschnürung bewirkt. Infektiöse Viren ohne M2 oder ohne die AH konnten ebenso wie Viren mit M2 mit einer Helix mit reduzierter Amphiphilität in dieser Arbeit nicht hergestellt werden. Allerdings führte die Substitution der AH durch typische krümmungsdetektierende oder modulierende Helices zu Viren, deren Wachstum um zwei bis vier Titerstufen im Vergleich zum Wildtyp reduziert war. Die Helix-Amphiphilität scheint wichtig zu sein, aber auch die Sequenz oder bestimmte Aminosäuren sind offenbar für eine effiziente Virusreplikation notwendig. / The assembly of influenza virus particles occurs at the apical plasma membrane of the host cell at membrane rafts which the hemagglutinin (HA) interacts with via acylations in its C-terminal region and via hydrophobic amino acids in the transmembrane domain (TMD). M2 possesses a cytoplasmic amphiphilic helix (AH) that also contains potential raft motifs: an acylation and cholesterol-binding motifs. In this work, confocal microscopy of polarised cells, which were expressing fluorescently labelled M2-variants, demonstrated that these motifs of M2 are not required for apical transport, which is assumed to be mediated by raft-like vesicles. Furthermore, FLIM-FRET (Förster resonance energy transfer measured via fluorescence lifetime imaging microscopy) analyses, performed in the plasma membrane of living cells coexpressing fluorescently labelled HA and M2, revealed that these M2-motifs are not required for association with the large coalesced raft phase organised by HA. In contrast, deleting HA’s raft-targeting features clearly reduced clustering with M2. While the removal of the two cytoplasmic acylations prevented the rescue of infectious virus by reverse genetics, a mutant virus without acylation in the HA-TMD could be rescued. Moreover, growth analyses revealed that the acylations of HA and M2 are important for the same step in the viral replication cycle. It has been postulated that the M2-AH detects membrane curvature and accomplishes membrane scission by inserting into the host cell membrane. Viruses without M2, without the M2-AH or with M2 containing a helix with reduced amphiphilicity could not be produced in this work. However, substituting the AH by typical curvature-sensing or -generating helices led to viruses with two to four orders of magnitude reduced growth as compared to wildtype virus. The amphiphilicity of the helix seems to be important, but also the sequence or specific amino acids appear to be necessary for an efficient virus replication.

Im Unterschied zu anderen RNA Viren vervielfältigen Influenzaviren ihr Genom im Zellkern infizierter Zellen. Für die erfolgreiche Vermehrung müssen neu gebildete Genomsegmente (virale Ribonukleoproteine, vRNPs) wieder aus dem Zellkern exportiert werden. Dafür nutzt Influenza einen Exportkomplex, der sich aus dem viralen Matrixprotein 1 (M1) und Nukleusexportprotein (NEP) zusammensetzt und vRNPs unter Verwendung des zellulären Exportproteins CRM1 aus dem Zellkern transportiert. Zahlreiche Fragen im Zusammenhang mit dem Exportkomplex sind noch unbeantwortet: Wie viele Exportkomplexe werden pro vRNP gebunden? Wie interagieren die Proteine innerhalb des Komplexes mit vRNPs? Wie wird die zeitliche und räumliche Präsenz der beteiligten Proteine im Verlauf der Infektion reguliert? Um zu einem besseren Verständnis beizutragen, wurden in der vorliegenden Arbeit Fluoreszenzfluktuationsspektroskopie und molecular brightness-Analysen genutzt, um die Oligomerisierung der beteiligten Exportkomplexproteine zu quantifizieren. Werden Fluoreszenzproteine für solche Untersuchungen verwendet, treten häufig nicht-fluoreszente Zustände auf, die die Bestimmung des Oligomerzustandes beeinflussen. Daher wurde in dieser Arbeit ein einfaches Korrekturmodel vorgestellt, das die Population an nicht-fluoreszenten Zuständen berücksichtigt, und somit die genaue Bestimmung des Oligomerzustandes erlaubt. Dadurch konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass NEP Homodimere im Zytoplasma ausbildet, wohingegen eine um das 2,5-fach geringere Homodimerpopulation im Zellkern vorhanden war. Durch die Integration von Informationen über den Lokalisationsphänotyp und den Oligomerzustand von NEP sowie mehrerer Mutanten, konnte ein Modell abgeleitet werden, dass den Regulationsmechanismus beschreibt: Durch vorrübergehendes Maskieren und Demaskieren der beiden Nukleusexportsignale wird der Transport von NEP reguliert. Die Dimerisierung im Zytoplasma und Monomerisierung im Zellkern unterstützen diesen Mechanismus. / Influenza viruses are the causative agent of severe epidemics and pandemics, causing up to 650,000 deaths annually. Unlike other RNA viruses, Influenza viruses replicate their genome within the nucleus of cells. Hence, progeny genome segments - viral ribonucleoproteins (vRNPs) - need to be exported from the nucleus to complete the replication cycle. To fulfil this task, Influenza relies on a viral nuclear export complex built from M1 and NEP, that mediates export by hijacking the cellular CRM1-dependent export machinery. In this context a number of questions remain unanswered, such as how many export complexes bind to a single vRNP, what is the exact interaction pattern of vRNPs with export complex proteins, and how translocation of nuclear export relevant proteins such as NEP are regulated and optimally timed during the course of infection? In the present study, the potential of NEP to form homo-dimers in situ was shown for the first time by applying fluorescence fluctuation spectroscopy (FFS) and molecular brightness analysis, that allows determination of protein oligomerization in living cells. However, when using fluorescent proteins in FFS studies non-fluorescent states are observed, which strongly affect molecular brightness analysis. Therefore, in this study a simple correction model was described, taking into account quantified non-fluorescent state fractions, to finally allow accurate and unbiased determination of oligomerization. This way it was shown, that NEP forms homo-dimers within the cytoplasm of cells, whereas a 2.5-fold lower homo-dimer population was observed in the nucleus. Combining the subcellular localization dependent oligomeric state of NEP and several NEP mutants with their localization phenotypes, a regulation mechanism was proposed in which the translocation of NEP is regulated by transient masking and unmasking of its two NESs, which is supported by dimerization in the cytoplasm and monomerization in the nucleus of cells, respectively.

Das Prinzip der Multivalenz ist in der Natur allgegenwärtig, welches auch von Influenza-Viren genutzt wird, um über ihre Oberflächenproteine an epitheliale Wirtszellen zu binden. Diese Interaktion bietet einen interessanten Ansatzpunkt für multivalente Inhibitoren, wenn es gelingt, die Bedingungen für eine effiziente Wechselwirkung mit dem Virus zu entschlüsseln. Hierzu wurde in dieser Arbeit eine Charakterisierung des Hämagglutinin-Trimers (HA) auf viralen Partikeln mittels Kohlenhydrat-Nukleinsäuregerüsten und Kohlenhydrat-Polyethylenglykol (PEG)-Gerüsten vorgenommen. Distanz-Affinitäts-Beziehungen für die Interaktion des trimeren HA mit den bivalenten Präsentationen des Sialyl-LacNAc zeigten, dass bivalente PEG-Konjugate nicht in der Lage sind, eine bivalente Verstärkung der Wechselwirkungen mit der löslichen HA-Ektodomäne oder mit HA auf der viralen Oberfläche herbeizuführen, wobei die räumliche Rasterung mit PNA∙DNA-Gerüsten eine bimodale Distanz-Affinitäts-Beziehung ergab. Ein Affinitätsmaximum in einem Abstand von 52 - 59 Å wurde einer simultanen Bindung an zwei kanonische Bindungsstellen eines HA-Trimers zugeordnet, wobei ein zweites Affinitätsmaximum bei 26 Å auf die Existenz einer sekundären Bindungsstelle hindeutet. In dieser Arbeit wurde erstmals die multivalente Präsentation von Glykoliganden auf langen repetitiven DNA-Templaten demonstriert. Es wurden Nukleinsäure-Komplexe erhalten die eine vollständige Inhibierung der Virus-induzierten Hämagglutination bei einer Konzentration von 10^(-9) M des Templats erzielten, was einer 10^7-fachen Verstärkung bezogen auf den monovalenten Zucker entspricht. Neben einer hochpotenten Inhibition offenbarten distanzoptimierte bivalente und multivalente Binder auf Nukleinsäuregerüsten auch subtypspezifische Inhibition. / The principle of multivalency is omnipresent in nature, which is also used by influenza viruses to bind to epithelial host cells via their surface proteins. This interaction offers an interesting starting point for multivalent inhibitors if the conditions for an efficient interaction with the virus can be deciphered. For this purpose, the hemagglutinin trimer (HA) on viral particles was characterized using carbohydrate-nucleic acid scaffolds and carbohydrate-polyethylene glycol (PEG) scaffolds. Distance-affinity relationships for the interaction of the trimeric HA with the bivalent presentations of the sialyl-LacNAc showed that bivalent PEG conjugates are not capable of a bivalent enhancement of the interactions with the soluble HA ectodomain or with HA on the viral surface, whereby the spatial screening with PNA∙DNA scaffolds resulted in a bimodal distance-affinity relationship. An affinity maximum at a distance of 52 - 59 Å was assigned to simultaneous binding to two canonical binding sites of an HA trimer, with a second affinity maximum at 26 Å indicating the existence of a secondary binding site. In this work the multivalent presentation of carbohydrate ligands on long repetitive DNA templates was demonstrated for the first time. Nucleic acid complexes were obtained which achieved a full inhibition of the virus-induced hemagglutination at a concentration of 10^(-9) M of the template, which corresponds to a 10^7-fold increase in relation to the monovalent sugar. In addition to a highly potent inhibition, distance-optimized bivalent and multivalent binders on nucleic acid structures also revealed subtype-specific inhibition.