Aufgabenbeschreibung IMVZ
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Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie des Friedrich-Loeffler-Instituts, Bundesforschungsinstitut für Tiergesundheit 1. Aufgabenbeschreibung Das Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie (vormals Institut für Molekularbiologie) ist eines von elf Fachinstituten des Friedrich-Loeffler-Instituts, Bundesforschungsinstitut für Tiergesundheit (FLI), einer selbständigen Bundesoberbehörde und Ressortforschungseinrichtung im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL). Im Rahmen seiner gesetzlichen Aufgaben, die hauptsächlich in §27 Tiergesundheitsgesetz niedergelegt sind, erforscht das Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie unter besonderer Berücksichtigung viraler Infektionen landwirtschaftlicher Nutztiere die Mechanismen der Interaktion von Infektionserregern mit Wirtszellen und -organismen. Dafür werden klassisch-virologische, molekularbiologische, biochemische, massenspektrometrische sowie bildgebende Arbeitsmethoden eingesetzt. Diese Arbeiten dienen der Aufklärung grundlegender Mechanismen viraler Infektionsprozesse als Basis für die Entwicklung von Strategien zur Vermeidung von infektionsbedingten Schädigungen der Tiergesundheit und der Übertragung von Erregern vom Tier auf den Menschen (Zoonosen). Das Institut berät das BMEL auf den genannten Gebieten. Da die Ernst-Moritz-Arndt-Universität das Fach Virologie in der Lehre der mathematischnaturwissenschaftlichen Fakultät stärken möchte, ist eine gemeinsame Berufung vorgesehen. 2. Aufgabenfelder und Arbeitsschwerpunkte Die Kenntnis der molekularen Vorgänge bei der Interaktion zwischen Infektionserreger und Wirt ist grundlegende Voraussetzung für das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen, die zur Infektion und zur Ausprägung von Krankheitssymptomen führen. Sie ist auch die Basis für die Entwicklung von neuen Präventions- und Therapieverfahren. Dazu gehört die molekularbiologische Untersuchung von Erregern hinsichtlich ihrer genetischen Ausstattung und der Aufklärung der Funktion viraler Genprodukte. Dies hat in der Vergangenheit z.B. zur Einführung der die Tierseuchenbekämpfung revolutionierenden Marker- oder DIVA-Impfstoffe geführt. Im Gegensatz dazu sind die vielfältigen Virus-Wirtszell-Wechselwirkungen auf Grund der Komplexität der Wirte nur unzureichend bekannt. Die Kenntnis dieser Interaktionen ist essentielle Grundlage für neue Präventions- und Bekämpfungsverfahren, die über die bisher verfügbaren Impfstoffe und Therapeutika hinausgehen. Durch Kombination von molekularbiologischen Techniken (z.B. reverse Genetik), massenspektrometrische Analysen und modernen bildgebenden Verfahren (wie Confocale und Live-Cell Mikroskopie) können virale Genprodukte funktionell charakterisiert, infektionsbedingte Veränderungen im Proteinmuster des Wirts Seite 1 von 6 Aufgabenbeschreibung IMVZ aufgedeckt und der Verlauf der Infektion in der lebenden Zelle sichtbar gemacht und analysiert werden. Diese Kombination der am IMVZ etablierten Schlüsseltechnologien ermöglicht eine umfassende Analyse der Vorgänge bei einer Infektion auf molekularer Ebene. Die Untersuchung von neurotropen Viren bildet dabei einen Schwerpunkt sowohl in der Grundlagenforschung als auch im Rahmen der Aufgaben in der Tierseuchendiagnostik (Tollwut, Aujeszkysche Krankheit). Das Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie bearbeitet die folgenden Themenbereiche: 2.1. Tollwut Während die terrestrische Tollwut in Westeuropa als ausgerottet gilt, ist sie in anderen Teilen der Erde weiterhin die wichtigste Zoonose. Mehr als 70.000 Menschen sterben weltweit jährlich an der Infektion, die in den meisten Fällen auf Übertragung durch Verletzungen nach Hundekontakt zurückzuführen ist. Daneben werden zunehmend neue Tollwutviren in Reservoirwirten entdeckt, zu denen vor allem Fledermäuse gehören. Die Kenntnis des Spektrums in der Natur vorkommender Tollwutviren sowie das Verständnis der Interaktion mit den verschiedenen Wirten liefert die Grundlage für die Weiterentwicklung von Impfstoffen sowie den Schutz des Menschen vor der Infektion. Daher wurde im IMVZ die Tollwut-Forschung des FLI gebündelt. Das nationale Referenzlaboratorium für Tollwut, das OIE-Referenzlabor sowie das WHO Collaborating Centre for Rabies Surveillance and Research sind ebenso am Institut angesiedelt wie die Arbeitsgruppe Molekularbiologie der Tollwutviren, so dass in enger Zusammenarbeit praktische Aspekte der Tollwutbekämpfung, das Verständnis der Pathogenese der Tollwut im infizierten Wirt sowie die molekulare Basis dieser Interaktion untersucht werden können. 2.2. Aujeszkysche Krankheit (AK, Pseudorabies) Die anzeigepflichtige AK ist eine Herpesvirusinfektion des Schweins, die aber auch andere Säugetierspezies mit Ausnahme höherer Primaten einschließlich des Menschen betrifft. Durch den erstmaligen Einsatz von Markerimpfstoffen (DIVA-Prinzip) wurde die AK bei Hausschweinen in Deutschland getilgt, ist aber in anderen europäischen und außereuropäischen Ländern weiterhin präsent. Trotz erheblicher Fortschritte bei der Tilgung nehmen Infektionen in Wildschweinebeständen drastisch zu. Am Institut sind die Arbeiten zu AK im Rahmen der molekularbiologischen Forschung und des nationalen Referenzlaboratoriums zusammengefasst. Grundlegende Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Interaktion viraler und zellulärer Komponenten bei der Virusmorphogenese zur Aufklärung und ggf. gezielten Inaktivierung für die Virusvermehrung notwendiger zellulärer Stoffwechsel- und Transportwege. In Kooperation mit anderen Forschergruppen werden ausgesuchte virale Proteine auch strukturell dargestellt und analysiert. Darüber hinaus werden Pseudorabiesviren aus Wildschweinen molekularbiologisch und hinsichtlich ihrer Pathogenese charakterisiert. 2.3. Influenza Die Zoonose Influenza spielt sowohl im Tierseuchenbereich (aviäre Influenza‚ Vogelgrippe‘, Schweineinfluenza) als auch im öffentlichen Gesundheitswesen (‚Schweinegrippe‘) eine bedeutende Rolle. Im IMVZ werden Influenzaviren von Vögeln und Schweinen hinsichtlich ihrer pathogenen Eigenschaften untersucht und Grundlagen für Seite 2 von 6 Aufgabenbeschreibung IMVZ neuartige Impfstoffe, die eine Differenzierung zwischen infizierten und geimpften Tieren erlauben (DIVA), erarbeitet. Hierfür kommen reverse genetische Systeme zum Einsatz, die am Institut etabliert wurden. Ziel ist die Identifizierung von krankheitsdeterminierenden Faktoren, die auch eine Risikoanalyse hinsichtlich der Transformation von gering pathogenen aviären Influenzaviren in hochpathogene Geflügelpesterreger erlauben. 2.4. Afrikanische Schweinepest Die ursprünglich auf Afrika beschränkte Afrikanische Schweinepest (ASP) hat sich in den letzten Jahren vor allem in Osteuropa ausgebreitet und inzwischen die Grenzen der EU überschritten. Bis heute stehen weder Impfstoffe noch Therapeutika gegen diese Tierseuche zur Verfügung. Daher hat das IMVZ grundlegende Forschungsarbeiten zum Verständnis der ASP-Infektion und neue Ansätze zur Entwicklung von Impfstoffen initiiert. Als phylogenetisch alleinstehendes komplexes, DNS-Virus stellt der Erreger der ASP ein bisher nur unzureichend verstandenes Forschungsobjekt dar. Ziel der Untersuchungen ist ein besseres Verständnis der Biologie der ASP sowie der Bedeutung viraler Proteine für den Vermehrungszyklus des Virus, für die Immunantwort des Wirts und für deren Unterdrückung (Immunevasion). Dazu wird insbesondere die umfangreiche Expertise des Instituts bei der Erforschung der ähnlich komplexen DNS-haltigen Herpesviren eingesetzt. 2.5. Newcastle Disease Die Newcastle-Krankheit (Newcastle Disease, ND) oder atypische Geflügelpest ist eine anzeigepflichte virusbedingte Infektionskrankheit, die bei Nutzgeflügel zu hohen wirtschaftlichen Verlusten führen kann. In Deutschland werden gehaltene Hühnervögel obligatorisch gegen die Infektion geimpft. Am IMVZ wurde eines der ersten reversen genetischen Systeme für den Erreger NDV etabliert. Auf dieser Basis finden Forschungsarbeiten zum grundlegenden Verständnis der Funktionen viraler Genprodukte sowie ihrer Interaktion mit der Wirtszelle statt. Mit Hilfe von NDV-Vektoren werden auch neue Ansätze für die Impfung gegen andere Geflügelseuchen, wie die aviäre Influenza, entwickelt. 2.6. Infektiöse Laryngotracheitis (ILT) Die in Deutschland meldepflichtige infektiöse Laryngotracheitis ist eine Herpesvirusinfektion der Hühner, die in der Regel zwar nur moderate wirtschaftliche Schäden verursacht, bislang aber trotz der Verfügbarkeit wirksamer Impfstoffe nicht getilgt werden konnte. Am IMVZ ist das nationale Referenzlaboratorium für die ILT angesiedelt. 2.7. Confocal und Live-Cell Imaging Die Analyse viraler Replikationsprozesse durch hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie stellt eine neue Dimension der Darstellung der Interaktion zwischen Erreger und Wirt dar. Am IMVZ werden besonders intra- und interzelluläre Reifungs- und Transportprozesse durch Live-Cell Imaging in Kombination mit elektronenmikroskopischen Ultrastrukturdarstellungen untersucht. Hierzu stehen sowohl im Bereich der Schutzstufe 2 als auch in Schutzstufe 3 entsprechende moderne Live-Cell Imaging Systeme zur Verfügung, die zur Darstellung fluoreszenzmarkierter Zielstrukturen (Viren, virale Proteine, zelluläre Proteine) verwendet werden. Die damit erzielten Ergebnisse liefern Seite 3 von 6 Aufgabenbeschreibung IMVZ grundlegende Erkenntnisse über die Erreger-Wirtszell-Interaktionen und Hinweise auf mögliche Interventionsmöglichkeiten. Im Schwerpunkt neurotrope Viren werden solche Untersuchungen auch an Nervenzellen durchgeführt, z.B. um die Virusausbreitung entlang von Nervenbahnen in Echtzeit zu analysieren. 2.8. Proteomanalyse (Massenspektrometrie) Am IMVZ ist die Massenspektrometrie-Plattform angesiedelt. Sie verfügt über ein leistungsfähiges MALDI-Massenspektrometer mit (?)Imaging Einrichtung, was auch eine ortsaufgelöste massenspektrometrische Untersuchung von Gewebeschnitten erlaubt. Die Untersuchung der Proteinausstattung einer Zelle oder eines Gewebes und der Veränderungen nach Infektion ermöglicht eine detaillierte Kartierung der durch Erreger manipulierten zellulären Prozesse und damit die Identifizierung von Zielstrukturen für präventive und therapeutische Eingriffe. Proteomanalysen spielen vor allem auch bei der Suche nach zellulären Interaktionspartnern viraler Komponenten eine herausragende Rolle. In der bakteriologischen Diagnostik wird die MALDI-TOF Massenspektrometrie zunehmend zur schnellen Erregeridentifizierung und zur Artbestimmung eingesetzt. 2.9. Mittelfristige Ziele Das IMB wurde Anfang 2014 in IMVZ umbenannt, um inhaltliche Änderungen der Ausrichtung der Forschungsarbeiten deutlich zu machen. Ziel ist eine Stärkung der Forschung auf dem Gebiet der Zellbiologie als Basis für ein umfassenderes Verständnis der Erreger-Wirts-Interaktionen. Die dabei gewonnenen Ergebnisse sollen die Basis für eine gezieltere Entwicklung von Interventionsmaßnahmen mit neuartigen Wirkmechanismen liefern. Zusätzlich zu den bisher bearbeiteten sollen molekularbiologische Untersuchungen an weiteren viralen Erregern aufgenommen werden, insbesondere solchen, die unter die Schutzstufen 3 oder 4 fallen. Hierfür werden am FLI Insel Riems entsprechende Sicherheitsbereiche in Betrieb genommen. Methodisch ist eine Vernetzung der Proteomics mit anderen „Omics“(?)-Technologien (Genomics, Transcriptomics) zur systembiologischen Analyse von Virus-Wirts-Interaktionen vorgesehen. Die Untersuchung von Ex-Vivo-Präparaten erlaubt hierbei eine Kombination von (histo)pathologischer Analyse mit virologischen, molekularbiologischen und bildgebenden Verfahren. 3. Zusammenarbeit Das Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie pflegt enge Kooperationen mit den anderen Fachinstituten innerhalb des FLI. Dies spiegelt sich auch in gemeinsamen Projekten wieder und ist von großer Bedeutung für die Bearbeitung komplexer Fragestellungen bei Infektionsgeschehen, bei denen die Expertisen der einzelnen Fachinstitute genutzt werden. Es bestehen auch vielfältige Kooperationen auf nationaler und internationaler Ebene mit Universitäten und Forschungseinrichtungen. Eine Reihe dieser Zusammenarbeiten ergeben sich aus Verbundprojekten, die durch DFG, BMBF, EU oder Industrie gefördert werden. Die Einwerbung von Mitteln von der Deutschen Forschungsgemeinschaft wird im Institut als wesentlich für die erfolgreiche Bearbeitung der Fragestellungen angesehen. Mit folgenden Instituten bestehen Kooperationen: Seite 4 von 6 Aufgabenbeschreibung IMVZ Inland: - Ernst-Moritz-Arndt Universität Greifswald - Freie Universität Berlin - IDT Biologika Dessau/Riems - Paul-Ehrlich-Institut, Langen - Philipps-Universität Marburg Ausland: - Animal and Plant Health Agency, Weybridge, UK - CRESA, Barcelona, Spanien - Friedrich-Miescher-Labor der Max-Planck-Gesellschaft, Tübingen - INRA, Jouy-en-Josas, Frankreich - Institut Pasteur, Paris, Frankreich - International Livestock Research Institute, Nairobi, Kenia - Leeds University, UK - Merck, Boxmeer, Niederlande - Tel Aviv University, Israel - The Pirbright Institute, Vereinigtes Königreich - Universität Gent, Belgien - Universität Lissabon, Portugal - University of Oxford, Oxford Particle Imaging Centre, Vereinigtes Königreich 4. Lehrtätigkeit Wissenschaftler/innen des Institutes üben Lehrtätigkeiten primär an der Ernst-Moritz-ArndtUniversität Greifswald aus. Es ist vorgesehen den Institutsleiter/die Institutsleiterin gemeinsam mit der Ernst-Moritz-Arndt-Universität zu berufen. Die Aufgaben umfassen die Lehrtätigkeit an der mathematisch-naturwissenschaftlichen Fakultät der Ernst-Moritz-ArndtUniversität im Fach Virologie mit einem Lehrdeputat von 2 SWS. 5. Veröffentlichungen des Instituts für molekulare Virologie und Zellbiologie: Ausgewählte Publikationen aus dem Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie (vormals Institut für Molekularbiologie; Namen unterstrichen) der letzten 3 Jahre: - Bauer, A., S. Neumann, A. Karger, A.K. Henning, A. Maisner, B. Lamp, E. Dietzel, L. Kwasnitschka, A. Balkema-Buschmann, G.M. Keil, S. Finke (2014). ANP32B is a nuclear target of henipavirus M proteins. PloS one 9:e97233. - Bauer, A., T. Nolden, J. Schroeter, A. Roemer-Oberdoerfer, S. Gluska, E. Perlson, S. Finke (2014). Anterograde glycoprotein-dependent transport of newly generated rabies virus in dorsal root ganglion neurons. J Virol 88:14172-14183. - Böhm, S., E. Eckroth, M. Backovic, B.G. Klupp, F. Rey, T.C. Mettenleiter, W. Fuchs (2015). Structure- based functional analyses of domains II and III of pseudorabies virus glycoprotein H. J Virol 89:1364-1376. Seite 5 von 6 Aufgabenbeschreibung IMVZ - Freuling, C.M., K. Hampson, T. Selhorst, R. Schröder, F.X. Meslin, T.C. Mettenleiter, T. Müller (2013). The elimination of fox rabies from Europe: determinants of success and lessons for the future. Phil Trans R Soc B 368:20120142. - Grimm, K.S., B.G. Klupp, H. Granzow, F.M. Müller, W. Fuchs, T.C. Mettenleiter (2012). Analysis of viral and cellular factors influencing herpesvirus-induced nuclear envelope breakdown. J Virol 86:6512-6521. - Heiden, S., C. Grund, A. Röder, H. Granzow, D. Kühnel, T.C. Mettenleiter, A. RömerOberdörfer (2014). Different regions of the Newcastle Disease virus fusion protein modulate pathogenicity. PLoS One 9:e113344. - Keil G.M., K. Giesow, R. Portugal (2014). A novel bromodeoxyuridine-resistant wild boar lung cell line facilitates generation of African swine fever virus recombinants. Arch Virol 159:2421-2428. - Paßvogel, L., B.G. Klupp, H. Granzow, W. Fuchs, T.C. Mettenleiter (2015). Functional characterization of nuclear trafficking signals in pseudorabies virus pUL31. J Virol 89, doi:10.1128/JVI.03143-14 - Portugal, R., J. Coelho, D. Hoeper, N.S. Little, C. Smithson, C. Upton, C. Martins, A. Leitão, G.M. Keil (2014) Related strains of African swine fever virus with different virulence: genome comparison and analysis. J Gen Virol, doi: 10.1099/vir.0.070508-0 - Steglich, C., C. Grund, K. Ramp, A. Breithaupt, D. Höper, G. Keil, J. Veits, M. Ziller, H. Granzow, T.C. Mettenleiter, A. Römer-Oberdörfer (2013). Chimeric Newcastle Disease virus protects chickens against avian influenza in the presence of maternally derived NDV immunity. PLoS one 8:e72530. - Veits, J., S. Weber, O. Stech, A. Breithaupt, M. Gräber, S. Gohrbandt, J. Bogs, J. Hundt, J.P. Teifke, T.C. Mettenleiter, J. Stech (2012). Avian influenza virus hemagglutinins H2, H4, H8 and H14 support a highly pathogenic phenotype. Proc Natl Acad Sci USA 109:2579-2584. Seite 6 von 6
