Untersuchung zur CMV-assoziierten Rolle des Macrophage Migration Inhibitory Factor in der myokardialen Parthanatose
Eine Infektion mit dem Zytomegalievirus (cytomegalovirus, CMV) stellt für immunsupprimierte Patient*innen ein großes Risiko dar und kann bei einer Infiltration des Herzens zu einer Myokarditis oder Vaskulopathie führen. Diese können mit lebensbedrohlichen Herzrhythmusstörungen und Einschränkungen der Herzfunktion einhergehen und in einer Herzinsuffizienz resultieren. Die Hintergründe für die Herzschädigung sind derzeit noch unklar. Es ist jedoch bekannt, dass eine CMV-vermittelte Retinitis bei Immunschwäche zum Zelluntergang namens Parthanatose führt. Hierbei handelt es sich um einen kürzlich erforschten Zelltodmechanismus, der durch die Aktivierung der Poly-(ADP)-Ribose-Polymerase 1 (PARP-1), die Interaktion des Macrophage migration inhibitory factors (MIF) und des Apoptosis inducing factors (AIF) und die DNA-Fragmentierung in Abhängigkeit von MIF gekennzeichnet ist. Die Parthanatose wurde im Herzen bislang noch nicht beschrieben. In der vorliegenden Studie wird untersucht, ob es zu einer CMV-Infektion des Herzens bei Immunschwäche kommt und ob in den infizierten Zellen die Mechanismen der Parthanatose, insbesondere die DNA-Fragmentierung durch MIF, aktiviert werden.
Es konnte mit Hilfe des Plaque Assay gezeigt werden, dass murines CMV (mCMV) das Herz immunsupprimierter Mäuse infiziert. Im Gewebe konnte zudem aktive Virusreplikation mittels Polymerasekettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) nachgewiesen werden. In vitro wurde eine CMV-Infektion von Kardiomyozyten, kardialen Endothelzellen und Fibroblasten sowohl im murinen als auch im humanen System beobachtet. In infizierten Zellen konnte durch Immunfluoreszenzmarkierung gezeigt werden, dass es zu einem Anstieg in der Synthese von PAR kam, was auf eine starke PARP-1 Aktivität hindeutete. Die dadurch bedingte Freisetzung von AIF aus den Mitochondrien führte es zu einer Interaktion von MIF und AIF sowohl in murinen als auch in humanen kardialen Zellen. Diese Interaktion konnte mittels Proximity Ligation Assay und Co-Immunpräzipitation (Co-IP) validiert werden. Es wurden mittels Konfokalmikroskopie Hinweise darauf gefunden, dass der gebildete Proteinkomplex in den Zellkern migrierte. In kardialen Zellen aus MIF defizienten Mäusen konnte eine signifikante Reduktion von DNA-Schäden im Vergleich zu wildtypischen Zellen nachgewiesen werden.
Die hier vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass es zu einer CMV-Infektion im Herzen bei Immunschwäche kommt. Alle hauptsächlich im Herzen vertretenen Zelltypen werden dabei infiziert. Infizierte Zellen setzen den Zelluntergang durch Parthanatose in Gang, was durch eine Synthese von PAR, Interaktion von MIF und AIF und DNA-Fragmentierung gekennzeichnet ist. Diese Art des Zelluntergangs könnte zu einer enormen Gewebeschädigung und nachfolgenden Immunantwort führen. Es wurde zudem erstmals im Herzen gezeigt, dass eine Inhibition von MIF die DNA-Fragmentierung im Zuge der Parthanatose verringert, was einen neuen Therapieansatz für Patient*innen mit einer Herzschädigung nach CMV-Infektion darstellen könnte.
CMV infection poses a great risk for immunocompromised patients such as transplant recipients and can lead to infiltration of the heart and development of myocarditis or cardiac allograft vasculopathy. This can be accompanied by life threatening arrhythmia and sudden cardiac death or result in heart failure. The pathogenesis behind heart damage and the following poor prognosis are not yet understood. Studies have shown that CMV infection in an immunocompromised retinitis model leads to cell death via parthanatos. This recently published signaling pathway is characterized by over-activation of PARP-1, interaction of MIF and AIF and MIF-induced DNA fragmentation. Parthanatos has currently not been described in heart tissue. Therefore, we aim to investigate if CMV infects the heart of immunocompromised mice and if infected cells undergo cell death via parthanatos. Furthermore, we want to analyze the role of MIF in DNA fragmentation and cell death.
MCMV was found to infect cardiac tissue of immunocompromised mice using plaque assay and start active virus replication validated by PCR. In vitro studies could show that CMV infects different cardiac cell types such as cardiomyocytes, endothelial cells and fibroblasts as well in murine models as in human settings. Using immunofluorescence staining and confocal microscopy, we could see an uptake in PAR synthesis in infected cell compared to mock infected cells. This indicated an over-activation of PARP-1. The excessive synthesis of PAR lead to AIF release from mitochondria and furthermore to interaction of MIF and AIF in the cytosol, as shown via proximity ligation assay and co-IP. Immunofluorescence staining and confocal microscopy gave hints on the translocation of the MIF/AIF protein complex to the nucleus. Cardiac cells from MIF knockout mice infected with mCMV showed a significant reduce in DNA damage compared to wild type cells.
In summary, CMV infiltrates cardiac tissue after immune deficiency. Every main cardiac cell type is susceptible for infection. Infected exhibit signs of parthanatos such as PAR synthesis, MIF/AIF interaction and DNA fragmentation. This type of cell death could lead subsequently to further tissue damage and an excessive immune response, resulting in heart failure. In this study, we described for the first time that MIF knockout leads to a reduction in DNA fragmentation during parthanatos, providing a potential therapeutic targets for future investigations.