Molecular basis of Zika-induced microcephaly

University Of California, San Diego, La Jolla CA

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

Abstract    Zika  virus  (ZIKV)  represents  a  new  threat  to  global  health,  with  particular  relevance  to  the  developing  brain  and  risk  of  congenital  microcephaly.  The  basis  by  which  ZIKV  leads  to  neuronal  death  in  the  brain  of  the  fetus  is  unknown,  but  presumably  relates  to  effects  of  ZIKV  proteins  on  cellular  health.  ZIKV  is  an  RNA  Flavivirus  encoding  10  proteins  including  the  NS2B/NS3 heterodimer  that  forms an active  serine protease  involved  in  cleavage  of  the  ZIKV  polypeptide  into individual proteins.    Here  we  propose  to  study  the  molecular  basis  of  ZIKV-­induced  microcephaly.  We  hypothesize  that  the  ZIKV  protease  can  function  to  cleave  cytosolic host  cellular  proteins  in  neural  precursor  cells,  leading  to  a  range  of  cellular  defects, contributing to toxicity. This application brings together three experienced research groups with a track record of  collaboration on ZIKV. Our published work has focused on tropism of ZIKV for neural precursor cells, interaction of ZIKV  with  the  immune  system,  small  molecule  inhibitors  of  ZIKV,  and  effect  of  ZIKV  on  neuronal  survival.  We  have  also  published  on  neural  stem  cell  biology,  recessive  human  genetic  microcephaly  mutations,  and  flavivirus  molecular  pathology.  Our preliminary data  demonstrates  that ZIKV  NS2B/NS3 misexpression  can  mediate  cell death,  in  a manner  similar  to  ZIKV-­induced  cell  death.  Cell  death  can  be  abrogated  with  a  protease-­inactive  mutation  or  by  inhibition  of  protease  activity  through  ZIKV  protease  inhibitors  (ZPIs).  Proteomic  analysis  identified  a  series  of  proteins  bound  to  the  ZIKV  protease,  which  we  term  the  ZIKV  Protease-­Ome  (ZPO),  at  least  one of  which  is  a direct  cleavage  target  of  ZIKV  NS2B/NS3,  and  leads  to  blocked  cytokinesis  and  cell  death  when  inactivated,  in  a  manner  similar  to  ZIKV-­induced  cell  death.    The  goal  of  this  application  is  to  discover  the  molecular,  cellular  and  genetic  basis  by  which  ZIKV  proteins  mediate  neuronal  cell  death,  particularly  in  the  context  of  mammalian  cerebral  cortical  development.  We  combine  mass  spectrometry  analysis,  protein  interaction  networks,  advanced  bioinformatics,  neuronal  culture  models,  analysis  of  cell  cycle  dynamics,  and  in  vivo  modeling.  Importantly,  we  will  focus  on  differences  between  toxicity  observed  with  ZIKV  proteins  and  other  sequence-­similar  flaviviruses  that  do  not  mediate  neuronal  death,  and  will  study  the  mechanisms  of  the particular neuronal vulnerability to cell death following ZIKV exposure. We will: 1] Test ZPO constituents to determine  which  are  direct  protease  targets  of  ZIKV  NS2B/NS3.  2]  Test  ZPO  to  determine  mechanisms  by  which  ZIKV  NS2B/NS3-­mediated  cleavage  leads  to  neuronal  death.  3]  Test  the  short  and  long  term  effects  of  ZIKV  protease  expression  on  the  developing  brain,  and  the  degree  of  rescue  by  inhibition  of  the  ZIKV  protease.  The  goal  of  these  experiments  is  to  determine  how  specific  components  of  the  ZIKV  genome  lead  to  disrupted  cortical  development,  to  determine  mechanisms  by  which  ZIKV  impairs  cell  survival,  and  whether  medications  might  benefit  women  exposed  to  ZIKV during fetal brain development.