Ein vielversprechender Ansatz zur Verhinderung von Infektionen mit Influenzavirus ist die kompetitive Inhibition der Virusanhaftung an die Wirtszellen durch Behinderung der Bindung des viralen Hemagglutinin (HA) an sialylierte Glykanrezeptoren. Allerdings erschwert die hohe Variabilität des HA die Entwicklung von universellen Sialinsäure (SA)-basierten Virostatika. In dieser Arbeit wurde der antivirale Effekt von mit SA funktionalisierten Polyglycerolen (PGs) auf Influenza A Viren (IAV) evaluiert. SA-basierte PGs waren nur bei der Inhibition einer geringen Anzahl an IAV Stämmen effektiv. Um die molekulare Basis für diese Beschränkung zu ergründen, wurden mittels Serienpassagen IAV Mutanten selektiert, die gegen sialyliertes PG resistent waren. Es entwickelten sich drei unabhängige resistente Virusvarianten, die einen einfachen bzw. doppelten Aminosäuren-Austausch in der HA RBS aufwiesen. Durch Hemagglutinations-Elution, Einzel-Virus Kraft-Untersuchungen und Glykanarray Analysen konnte eine verringerte Rezeptorbindungsstabilität sowie ein verändertes Rezeptorbindeprofil für diese Virusvarianten gezeigt werden. Interessanterweise wurden drei unterschiedliche Fälle von Virusbindung und Inhibition beobachtet: 1) Virales HA wurde vom PG gebunden und die Virusreplikation inhibiert, 2) virales HA wurde vom PG gebunden ohne Inhibition der Virusreplikation und 3) Virales HA wurde nicht vom PG gebunden und es gab keine Inhibition. Diese Ergebnisse suggerieren, dass es eine Mindestanforderung an die Affinität oder Avidität für eine effektive kompetitive Inhibition von HA gibt. Durch modifizierte PGs, die Sialyllaktose statt SA und einen Amidlinker enthielten, konnte das Potential von PGs als breite IAV Inhibitoren demonstriert werden. Zusammenfassend bieten die Ergebnisse dieser Arbeit wertvolle Einblicke in die Entwicklung von Resistenzen in IAV gegen Inhibitoren des HA-Attachment und in das strategische Design von sialylierten mutlivalenten Inhibitoren gegen IAV. / A promising approach to block influenza virus infections is competitive inhibition of virus attachment to host cells by interfering with binding of the viral surface protein hemagglutinin (HA) to sialylated glycan receptors. However, the high structural and genetic variability of the viral HA has hampered the development of universal sialic acid (SA)-based antivirals. Here, the antiviral effect of biocompatible Polyglycerols (PGs) functionalized with SA on influenza A virus (IAV) was evaluated. PG compounds were only effective at inhibiting a narrow spectrum of IAV strains. To elucidate the molecular basis for this restriction, PG-resistant IAV mutants were selected using serial passaging. Three independent resistant variants developed with single or double amino acid changes mapping to the HA RBS. By employing hemagglutination elution, single-virus force measurements and glycan array analyses, a reduced receptor binding stability as well as an altered receptor binding profile of mutant viruses was shown. Intriguingly, three different cases of virus binding and inhibition were observed using Cy3-labeled compound: 1) viral HA was bound by the compound and resulted in inhibition of replication, 2) viral HA was bound by the compound but replication was not inhibited and 3) viral HA was not bound by the compound and no inhibition occurred. These results suggest that there is an affinity or avidity requirement for effective competitive inhibition of HA attachment. The suitability of PGs as IAV inhibitors with potential for broad activity was demonstrated by a modified PG incorporating sialyllactose instead of SA and an amide linkage covering an extended spectrum of inhibited IAV strains. Taken together, results described in this thesis provide valuable insights into the development of resistance against inhibitors of HA attachment in IAV and into the strategic design of sialylated, multivalent inhibitors aiming at broad activity against influenza viruses.

Influenzavirus (IV)-Infektionen der unteren Atemwege induzieren virale Pneumonien, die häufig in akutem Lungenversagen resultieren. Merkmale einer IV-induzierten Pneumonie sind Schädigungen des Alveolarepithels und eine Ansammlung von Ödemflüssigkeit im Alveolarraum, wodurch der Gasaustausch beeinträchtigt wird. In Abhängigkeit eines Natriumgradienten, aufgebaut durch die basolaterale Na,K-ATPase (NKA) und den apikalen epithelialen Natriumkanal (ENaC), wird unter normalen Bedingungen die Ödemflüssigkeit aus dem Alveolarraum entfernt. In Folge einer IV-Infektion werden verschiedene Membranionenkanäle dysreguliert und eine verringerte alveoläre Flüssigkeitsresorption (AFC) beobachtet. Eine IV-Infektion führt u.a. zu einer reduzierten NKA-Expression in nicht-infizierten Nachbarzellen, sowie zu einer Dislokation der NKA zur apikalen Zellmembran in infizierten Zellen. Co-Immunopräzipitationsstudien identifizierten das virale M2-Protein als NKA-Bindepartner. Mittels Mutationsanalyse konnten drei Aminosäuren im zytoplasmatischen Teil von M2 als kritisch für die NKA-Bindung identifiziert werden. Rekombinante IV mit gestörter NKA Bindung zeigten im Vergleich zu IV WT in polarisierten Calu 3 Zellen in vitro sowie in Mäusen in vivo eine verbesserte AFC. Eine mutationsbedingte Glykosylierung des M2-Proteins führte jedoch unerwartet zu einer verstärkten Immunantwort in vivo, die trotz verbesserter AFC zu einem schwereren Krankheitsverlauf führte. Grund dafür könnte eine Aktivierung der Unfolded Protein Response aufgrund der Glykosylierung sein. Die Erkenntnis, dass M2 ein wichtiger Modulator in der Regulation der alveolären Flüssigkeitshomöostase ist, könnte dennoch helfen, neue therapeutische Ansätze für IV-induzierte Pneumonien zu definieren. Darüber hinaus unterstreicht es die Relevanz einer in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Surfactome-Analyse zur Identifizierung neuer potentieller Angriffspunkte an der Zelloberfläche IV-infizierter Zellen, die in der antiviralen Therapie von Bedeutung sein könnten. / Influenza Virus (IV) infections of the lower respiratory tract can induce viral pneumonia resulting in acute lung injury (ALI/ARDS) with fatal outcome. Characteristics of an IV-induced pneumonia are alveolar epithelial cell (AEC) damage and accumulation of protein-rich edema fluid in the alveolar compartment impairing gas exchange. Depending on a sodium gradient established by the basolateral Na,K-ATPase (NKA) and the apical epithelial sodium channel (ENaC) edema fluid is removed from the alveolar space under normal conditions. However, after IV-infection various ion channels are dysregulated and reduced alveolar fluid clearance (AFC) is observed. An IV-infection leads to a reduced NKA expression in the non-infected neighbouring cells and to a mistargeting of the NKA to the apical cell membrane in IV-infected cells. Co immunoprecipitation (co-IP) studies identified the viral M2 protein as NKA binding partner and mutational analysis presented three amino acids in the cytoplasmic tail of M2 directly abutting the transmembrane domain as critical for NKA binding. A recombinant IV mutant with disrupted NKA binding showed in comparison to IV WT an increased fluid transport in polarized Calu 3 cells in vitro as well as in mice in vivo. However, mutation-induced glycosylation of the M2 protein unexpectedly led to an enhanced immune response in vivo, resulting in a more severe disease course despite improved AFC. The reason for this could be an activation of the unfolded protein response by the glycosylation of M2. Nevertheless, the finding that M2 appears to be an important modulator in the regulation of alveolar fluid homeostasis might provide new potential approaches for therapeutics of an IV induced pneumonia. Moreover, it highlights the relevance of a surfactome analysis performed in the present work to identify novel potential targets on the cell surface of IV-infected cells which could play an important role in antiviral therapy.

Influenza Viren stellen eine große Bedrohung der öffentlichen Gesundheit dar. Die saisonale Grippeschutzimpfung induziert Antikörper gegen den Kopfbereich des viralen Oberflächenproteins Hämagglutinin (HA), in dem verstärkt Antigendrift auftritt. Dadurch wird die Effektivität der saisonalen Grippeimpfung auf den Impfstamm beschränkt und es besteht kein ausreichender Schutz gegen virale Driftvarianten. Eine universellere Grippeimpfung wird dringend benötigt. Die Entdeckung breit reaktiver Antikörper gegen den konservierten HA-Stammbereich hat die Erforschung neuartiger Impfstrategien vorangetrieben. Mit Chimären oder Headless HA kann eine Fokussierung der Immunantwort auf immunsubdominante Bereiche im HA-Stammbereich erzielt werden. Auch innovative Impfstoffplattformen wie Adeno-assoziierte Virus (AAV)-Vektoren bergen ein immenses Potenzial, da sie zum einen für die Verwendung im Menschen zugelassen sind und zum anderen die Immunogenität des Antigens positiv beeinflusst. Die Immunisierung mit AAV-Vektoren, die wildtypisches HA, Chimäre HA oder Nukleoprotein exprimieren, führte in dieser Arbeit in Mäusen zur Induktion breit reaktiver Antikörper, nicht aber die Immunisierung mit AAV-Headless HA oder inaktiviertem Grippeimpfstoff. Die AAV-Vektor Impfstoffe führten zur robusten Induktion Fc-Gamma-Rezeptor-aktivierender Antikörper, die beispielsweise Antikörper-vermittelte zelluläre Zytotoxizität auslösen können. Nicht nur die Impfung mit AAV-Chimären HA, sondern auch mit AAV-wildtypischem HA induzierte Antikörper gegen den HA-Stammbereich. Somit kann anscheinend allein durch eine AAV-Vektor vermittelte Expression des Antigens die Immundominanz des HA-Kopfbereiches abgemildert werden. Abschließend konnte zum ersten Mal die Schutzwirkung einer AAV-Vektor Immunisierung gegen HA im Frettchen demonstriert werden. Die in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse zeigen somit das große Potenzial von AAV-Vektoren als Impfvehikel für eine breit reaktive Grippeschutzimpfung auf. / Influenza viruses represent a severe threat to public health. A seasonal vaccine is available, which readily leads to the induction of antibodies against the head domain of the viral surface protein hemagglutinin (HA), which is prone to antigenic drift. Thus, seasonal vaccination induces only strain specific protection, while it is not effective against drifted virus strains. Hence, there is an urgent need for a universal influenza vaccine. The discovery of broadly reactive antibodies against the highly conserved HA-stalk domain has prompted great interest into research on vaccination strategies to induce broadly protective HA antibodies. Chimeric and headless HA have shown promising results with respect to re-focusing immunity towards immunosubdominant epitopes in the HA-stalk to induce protective HA-stalk antibodies. Also, innovative vaccine delivery platforms such as Adeno-associated virus (AAV)-vectors offer an attractive developmental perspective. AAV-vectors are licensed for use in humans and the AAV-vectored antigen expression positively influences its immunogenicity. In this thesis, immunization with AAV-vectors expressing wildtype HA, chimeric HA or nucleoprotein induced broad protection in mice, but not vaccination with AAV-vectors expressing headless HA or an inactivated influenza vaccine. Protection was associated with the ability of the AAV-vectored vaccines to induce Fc-gamma-receptor-activating antibodies, which might activate antibody-dependent cellular cytotoxicity. Not only chimeric HA but also wildtype HA induced antibodies against the HA-stalk, suggesting that AAV-vectored antigen expression can mitigate the immunodominance of virus strain-specific epitopes in the HA-head. Importantly, for the first time a protective effect AAV-vectored immunization towards HA could be shown in ferrets. Thus, results described in this thesis suggest a large potential for the development of AAV-vectors as carriers for a broadly protective influenza vaccine.

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.