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.

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.