Studie visar hur rotavirus leder till svår gastrointestinal sjukdom

Rotavirus är en viktig orsak till diarré och kräkningar, särskilt hos barn, vilket resulterar i cirka 128, 000 dödsfall årligen.

Viruset utlöser sjukdomen genom att infektera enterocytceller i tunntarmen, men bara en bråkdel av de mottagliga cellerna har viruset.

I mitten av 90-talet forskare föreslog att den lilla delen av infekterade celler främjar allvarlig sjukdom genom att skicka ut signaler som stör den normala funktionen hos angränsande oinfekterade celler, men signalens natur har förblivit ett mysterium.

I den aktuella studien publicerad i tidskriften Vetenskap , ett team som leds av forskare vid Baylor College of Medicine upptäckte att rotavirusinfekterade celler släpper ut signalmolekyler, identifierad som adenosindifosfat (ADP), som binder dess cellulära receptor P2Y1 på närliggande celler.

Aktivering av P2Y1 med ADP resulterar i signaler som kallas intercellulära kalciumvågor i dessa oinfekterade celler. Att störa ADP -bindningen till dess receptor minskade svårighetsgraden av diarré i en musmodell av sjukdomen, vilket tyder på att riktning mot P2Y1 kan vara en effektiv strategi för att kontrollera viral diarré hos mänskliga populationer.

I våra tidigare studier med fluorescerande kalciumsensorer och time-lapse-avbildning, vi upptäckte att rotavirusinfekterade celler visar avvikande kalciumsignaler som vi kan visualisera som ljusa pulser av intercellulära kalciumvågor som strålar från de infekterade cellerna. Kalciumsignalering var känd för att vara associerad med olika aspekter av rotavirusinfektion och vårt arbete avslöjade den dynamiska karaktären hos de förändringar som orsakas av rotavirus . "

Dr Joseph Hyser, Studera motsvarande författare och biträdande professor, Virologi och mikrobiologi, Baylor College of Medicine

Hyser är också medlem i Alkek Center for Metagenomic and Microbiome Research i Baylor. "Kalciumsignalering var känd för att vara associerad med olika aspekter av rotavirusinfektion och vårt arbete avslöjade den dynamiska karaktären hos de förändringar som rotavirus orsakar."

I den aktuella studien, forskarna genomförde experimenten med en lägre dos av viruset och märkte att det inte bara var de virusinfekterade cellerna som visade dynamisk kalciumsignalering, men också de intilliggande oinfekterade cellerna som omger de infekterade cellerna producerade pulser av kalciumvågor som var samordnade med de infekterade cellernas.

Denna observation föreslog att de infekterade cellerna kunde utlösa intercellulära kalciumvågor i de oinfekterade cellerna.

Forskarna kopplade deras observation till ett koncept som föreslogs i mitten av 90-talet som tyder på att rotavirusinfekterade celler skickar signaler till angränsande oinfekterade celler som stör deras funktion, främja diarré och kräkningar.

"Våra videor av levande fluorescerande mikroskopi som visar intercellulär kalciumvågssignalering i både rotavirusinfekterade och oinfekterade celler gav ett aldrig tidigare skådat sätt att undersöka karaktären av den föreslagna signalen, som inte hade identifierats, "sade författaren Dr. Alexandra L. Chang-Graham, en M.D./Ph.D. student i Medical Scientist Training Program som avslutade sin doktorsexamen avhandling som arbetar i Hyser -labbet.

Hitta signalen

Chang-Graham, Hyser och deras kollegor arbetade med tre olika laboratoriemodeller för att identifiera signalen som utlöser intercellulära kalciumvågor på oinfekterade celler.

De använde en njurcellinje av apor som vanligtvis används för att studera rotavirus. De arbetade också med mänskliga tarm enteroider, ett odlingssystem som sammanfattar många av egenskaperna hos den mänskliga infektionen och en nyfödd musmodell för rotavirusinfektion och diarré.

Deras studier visade att misstänkta triggers av kalciumvågor, såsom prostaglandin E2 och kväveoxid, framkallade inte ett kalciumsvar. Sedan testade de ATP och ADP, kända förmedlare av kalciumsignalering som inte tidigare hade associerats med rotavirusinfektion.

De fann att rotavirusinfekterade celler utlöste intercellulära kalciumvågor genom att släppa ADP som binder till dess receptor, P2Y1, på oinfekterade grannceller. Slår ut P2Y1 -genen, vilket hindrar ADP från att signalera, minskade intercellulära kalciumvågor.

"I de tre modellsystemen hittade vi konsekvent bevis på att rotavirusinfekterade celler signalerar oinfekterade celler med ADP och att detta bidrar till sjukdomens svårighetsgrad, "Sa Chang-Graham." Vi anser att det är paradigmskiftande att den faktiska signalen, ADP, var inte ens på radarn innan. "

ADP -signalering är involverad i att utlösa allvarliga rotavirus -symptom

Ytterligare studier avslöjade tidigare okända roller för ADP vid rotavirusinfektion och replikering, lyser upp ADP som en viktig utlösare för de flera faktorer som är involverade i svår diarré och kräkningar orsakade av rotavirus.

Till exempel, forskarna fann bevis för att ADP -signalering ökar rotavirusinfektion, uttrycket av inflammatoriskt cytokin IL1-alfa och utsöndring av serotonin, en inducerare av diarré.

ADP -signalering ökar också uttrycket av enzymer som producerar prostaglandin och kväveoxid, vilket kan orsaka ökningar av de föreningar som observerats vid rotavirusinfektion. Att förhindra ADP -signalering och intercellulära kalciumvågor minskade produktionen av de ovan nämnda föreningarna.

"Till sist, vi bestämde att inhibering av P2Y1-receptorn minskade svårighetsgraden av rotavirusinducerad diarré i en musmodell, "Sa Chang-Graham.

"Med hjälp av intercellulära kalciumvågor, rotavirus förstärker dess förmåga att orsaka sjukdom utöver de celler som det direkt infekterar. Detta är det första virus som identifierats för att aktivera ADP-medierade intercellulära kalciumvågor. Detta kan vara en strategi som andra virus också använder för att orsaka sjukdom hos sina värdar. "

"Våra fynd lägger till en ny och mycket potent signalväg till de orsakande mekanismerna för rotavirusdiarré, "Sa Hyser.

"När det gäller behandling, detta är spännande eftersom vissa läkemedel som riktar sig mot P2Y1 för närvarande genomgår prekliniska tester som anticlotting -läkemedel. Det är möjligt att sådana läkemedel kan återanvändas, om det visar sig vara säkert för barn, ska användas för att behandla diarré orsakad av rotavirusinfektion. "

• Forskare gör genombrott i att studera enzymet som är involverat i fiskluktssyndrom
• Specifikt bakteriellt sRNA spelar en nyckelroll i symbios mellan Vibrio fischeri och bläckfisk