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Schätzungen der WHO zufolge waren 2015 weltweit rund 71 Millionen Menschen von einer chronischen Hepatitis C-Infektion betroffen. Die chronische Hepatitis C ist mit einem erhöhten Risiko für die Entstehung einer Leberzirrhose und eines hepatozellulären Karzinoms assoziiert. Die NS3/4A-Protease als zentraler Bestandteil der Replikationsmaschinerie des Virus spaltet das HCV-Polyprotein und ist in die Inaktivierung antiviraler Proteine involviert. Durch ihren maßgeblichen Einfluss auf die virale Fitness stellt sie einen entscheidenden Faktor für die chronische Persistenz des Virus im Wirtsorganismus dar. Die Protease ist auch eine wichtige Zielstruktur für spezifische antivirale Medikamente in der Behandlung der chronischen Hepatitis C. Der natürlich vorkommende Polymorphismus Q80K in der NS3/4A-Protease ist bei bis zu 47 % der Patienten schon vor Therapiebeginn feststellbar, insbesondere beim Genotyp 1a. Q80K führt zum Therapieversagen bei makrozyklischen Proteaseinhibitoren, insbesondere Simeprevir. Phylogenetische Analysen konnten zeigen, dass 96 % aller HCV-Gensequenzen mit Q80K von einem gemeinsamen, genetischen Vorfahren abstammen und sich die Mutation seit Mitte des 20. Jahrhunderts scheinbar stabil ausgehend vom nordamerikanischen Kontinent etabliert hat. Daneben wurden mit A91S/T und S174N sogenannte second site-Austausche identifiziert, die assoziiert mit Q80K vorkommen. Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, welchen Einfluss diese second site-Austausche auf die Enzymaktivität und Proteinfaltung der Protease haben und ob sie mögliche Veränderungen durch den Q80K-Polymorphismus kompensieren. Nach Expression und Aufreinigung der NS3/4A-Protease wurden die Effekte von Q80K, A91S/T und S174N auf die Enzymaktivität und Thermostabilität mittels fluoreszenzbasierter Verfahren untersucht und im Zusammenhang mit einer in silico-3D-Strukturanalyse der Protease interpretiert. Es zeigte sich, dass A91S/T und S174N jeweils zu einer Angleichung der Thermostabilität des Proteins an den Wildtyp führen und somit Defizite in der Faltung der Protease durch Q80K kompensiert werden. Aufgrund der experimentellen Daten und der Topografie dieser Austausche innerhalb der NS3-Protease-Helikase-Struktur ist von indirekten Effekten der second site-Austausche auf die replikative Fitness der Virusvarianten auszugehen. Die hier charakterisierten Austausche in der NS3/4A-Protease tragen durch eine Stabilisierung der Proteinfaltung kritisch zur Stabilität des Q80K-Polymorphismus im Proteasegen des HCV Genotyp 1a bei.
The Q80K polymorphism in the NS3-4A protease of the hepatitis C virus is associated with treatment failure of direct-acting antiviral agents. This polymorphism is highly prevalent in genotype 1a infections and stably transmitted between hosts. Here, we investigated the underlying molecular mechanisms of evolutionarily conserved coevolving amino acids in NS3-Q80K and revealed potential implications of epistatic interactions in immune escape and variants persistence. Using purified protein, we characterized the impact of epistatic amino acid substitutions on the physicochemical properties and peptide cleavage kinetics of the NS3-Q80K protease. We found that Q80K destabilized the protease protein fold (p < 0.0001). Although NS3-Q80K showed reduced peptide substrate turnover (p < 0.0002), replicative fitness in an H77S.3 cell culture model of infection was not significantly inferior to the WT virus. Epistatic substitutions at residues 91 and 174 in NS3-Q80K stabilized the protein fold (p < 0.0001) and leveraged the WT protease stability. However, changes in protease stability inversely correlated with enzymatic activity. In infectious cell culture, these secondary substitutions were not associated with a gain of replicative fitness in NS3-Q80K variants. Using molecular dynamics, we observed that the total number of residue contacts in NS3-Q80K mutants correlated with protein folding stability. Changes in the number of contacts reflected the compensatory effect on protein folding instability by epistatic substitutions. In summary, epistatic substitutions in NS3-Q80K contribute to viral fitness by mechanisms not directly related to RNA replication. By compensating for protein-folding instability, epistatic interactions likely protect NS3-Q80K variants from immune cell recognition.