The role of Sec61β in Ebola and Marburg virus glycoprotein processing and the potential of the Sec61 channel as antiviral target

by Katharina Emma Decker
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-07-01
Date of issue:2025-11-10
Advisor:Prof. Dr. Stefan Pöhlmann
Referee:Prof. Dr. Stefan Pöhlmann
Referee:Dr. Alexander Hahn
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11521

 

 

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Abstract

English

Ebola virus (EBOV) and Marburg virus (MARV), members of the family of Filoviridae, are highly pathogenic for humans and non-human primates (NHPs) and lead to reoccurring outbreaks mainly in the region of West, East and Central Africa. Licensed vaccines exists only for one out of five filovirus species, which have been shown to infect humans. Treatment options are very limited and rely mostly on supportive care. Thus, antiviral drugs against filoviruses are urgently needed. Targeting host cell proteins is a promising strategy to enable broad-spectrum antiviral activity and to reduce resistance development. Previous studies on flaviviruses indicated that proteins of the ER import pathway might constitute suitable targets. On the one hand enveloped viruses depend on translocation of their glycoprotein (GP) through the Sec61 channel as part of the ER import pathway and on the other hand knockdown of these ER proteins showed to be compatible with cellular survival. Based on this, I studied the impact of Sec61β, a small subunit of the Sec61 translocation channel, on filovirus glycoprotein processing and function. For this, I generated SEC61B-KO cells. I demonstrated that loss of Sec61β markedly reduced proteolytic processing of MARV-GP, but not EBOV-GP. Furthermore, I could show that cleavage of MARV-GP at a furin cleavage site (FCS) located between the GP subunits GP1 and GP2 is important for cell entry of pseudoviruses bearing MARV-GP, which is distinct to published work on EBOV, showing that the FCS is dispensable for viral entry. My analysis of several other members of the Filoviridae family showed that the FCS was dispensable for all Ebolavirus GPs tested and Lloviu virus GP whereas a defective FCS reduced entry driven by all Marburgvirus GPs tested, although strain and cell type specific differences were observed. In addition, I provided evidence that SKI-1, like furin a member of the proprotein convertases, can cleave MARV-GP. My results suggest that the defect in MARV-GP cleavage in SEC61B-KO cells might be due to reduced proprotein convertase activity and/or altered N-glycosylation of GP. Finally, I could show jointly with partners that inhibition of the Sec61 channel by Apratoxin S4 blocks EBOV and MARV infection. Taken together, I demonstrated that the Sec61 channel, as part of the ER translocation complex, is a promising host cell target for filovirus infections.
Keywords: Glycoprotein; Filoviridae; Marburg virus; Ebola virus; Protease; ER import; Sec61 channel; Sec61beta

German

Ebola-Virus (EBOV) und Marburg-Virus (MARV) gehören zu Familie der Filoviridae. Sie sind für Menschen und nichtmenschliche Primaten (NHP) hochgradig pathogen und führen vor allem in West-, Ost- und Zentralafrika zu wiederkehrenden Ausbrüchen. Zugelassene Impfstoffe gibt es nur für eine von den fünf Filovirus-Spezies, die nachweislich Menschen infizieren können. Die Behandlungsmöglichkeiten sind sehr begrenzt und beruhen hauptsächlich auf unterstützenden Maßnahmen. Antivirale Medikamente gegen Filoviren werden daher dringend benötigt. Die Adressierung von Wirtszellproteinen durch antivirale Medikamente wurde als vielversprechende Strategie zur Entwicklung potenzieller Breitbandmedikamente mit geringerer Resistenzneigung beschrieben. Studien mit Flaviviren deuteten darauf hin, dass sich Proteine des ER-Importweges dafür eignen könnten. So sind einerseits sind behüllte Viren von der Translokation ihres Glykoproteins (GP) durch den Sec61-Kanal als Teil des ER-Importweges abhängig und andererseits ist der Verlust dieser ER-Proteine mit dem zellulären Überleben vereinbar. Auf dieser Grundlage habe ich die Auswirkungen von Sec61β, einer kleinen Untereinheit des Sec61-Translokationskanals, auf die Prozessierung und Funktion von Filovirus-Glykoproteinen untersucht. Dazu habe ich SEC61B-KO-Zellen generiert. Ich konnte zeigen, dass der Verlust von Sec61β deutlich die proteolytische Spaltung von MARV-GP, aber nicht von EBOV-GP verhinderte. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Spaltung von MARV-GP an einer Furinschnittstelle (FCS), die sich zwischen den GP-Untereinheiten GP1 und GP2 befindet, für den Zelleintritt von Pseudoviren, die MARV-GP tragen, wichtig ist. Das unterscheidet sich von bereits veröffentlichten Arbeiten zu EBOV, die zeigen, dass die FCS für den viralen Eintritt verzichtbar ist. Meine Analyse mehrerer anderer Mitglieder der Filoviridae-Familie zeigt, dass die FCS für alle getesteten Ebolavirus GPs und das Lloviu-Virus GP entbehrlich ist, während eine defekte FCS verringerten Eintritt aller getesteten Marburgvirus GPs vermittelt, auch wenn stamm- und zelltypspezifische Unterschiede beobachtet wurden. Darüber hinaus konnte ich nachweisen, dass SKI-1, welches wie Furin ein Mitglied der Proprotein-Konvertasen ist, MARV-GP spalten kann. Meine Ergebnisse lassen vermuten, dass der Defekt der MARV-GP-Spaltung in SEC61B-KO-Zellen auf eine verminderte Proprotein-Konvertase-Aktivität und/oder auf eine veränderte N-Glykosylierung von GP zurückzuführen sein könnte. Abschließend konnte ich gemeinsam mit Partnern zeigen, dass die Inhibition des Sec61-Kanals durch Apratoxin S4 die Infektion mit EBOV und MARV blockiert. Zusammengefasst konnte ich zeigen, dass der Sec61-Kanal als Teil des ER-Translokationskomplexes ein vielversprechendes Ziel in Wirtszellen bei Filovirus-Infektionen darstellt.
 
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