Herpes-Viren - Helmholtz Zentrum München
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Herpesviren I Bettina Kempkes Helmholtz Zentrum München (HMGU) 16.5. 2011 Herpesviren: Strukturmerkmale 4. Hüllmembran mit Gykoproteinkomplexen (12-14 Proteine) 3.Tegument (HSV: 23 virale/49 zelluläre Proteine) 1. lineares Genom DNA Doppelstrang und Coreproteine 2. Kapsid (HSV: 8 virale Kapsid und Kapsid-assoziierte Pr.) Strukturmerkmale des Virions Virion Schema intaktes Virion negativ Kontrast Kapsid negativ Kontrast Kapsid Uranylacetat (DNA) Kapsid Uranylacetat (DNA) und Bleizitrat Field's Virology 2007 TEM Herpes Simplex Kapsid T=16 icosahedral structure composed of the major capsid protein hexons (blue) pentons (darker blue) two minor capsid proteins forming triplexes (green). NIAID Collaborative Antiviral Study Group (Whitley, RJ) Hokkanen L, Lounes J. Neuropsychol Rev 10:151, 2000 McGrath N et al. J Neurol Neurosurg Psychiatry 63:321, 1997 Herpesviridae Gemeinsamkeiten Strukturmerkmale • • • • ds DNA Genom (140-240kb) Kapsid Tegument Hüllmembran mit Glycoproteinen Herpesviren Lebenszyklus • Infektion und Virusreplikation • Latenz • Reaktivierung Terminologie Latenz/Persistenz: Virus verbleibt dauerhaft im Körper latente Persistenz: Virus-freie Phasen, intermittierende Reaktivierung chronische Persistenz: infektiöse Partikel werden ständig gebildet Herpesviridae: Gemeinsame biologische Merkmale nach Fields: Virology Biologische Merkmale 1. virale Enzyme : 2. Kern: Zytoplasma: DNA Metabolismus (Thymidine Kinase; Thymidylate Synthase; Ribonukleotid Kinase) DNA Synthese (DNA Polymerase, Helikase Prozessierung von Proteinen) Virale DNA Replikation und Kapsid Assemblierung Morphogenese des Virion mit Hülle 3. Virusproduktion führt zum Tod der Zelle 4. Lebenslang: Latenz (zirkuläres Genom) Reaktivierung im natürlichen Wirt ("Das Virus verbleibt (persistiert) im Wirt. Es gibt jedoch Phasen oder infizierte Zellpopulation, in denen das Virus nicht mehr nachgewiesen werden kann.") 8 humanpathogene Herpesviren Herpes-Simplex Virus (HSV) 1+2 (HHV 1/2) Varizella-Zoster Virus (VZV) (HHV 3) Epstein-Barr Virus (EBV) (HHV 4) Cytomegalovirus (CMV) (HHV 5) Humanes Herpesvirus 6 A/B (HHV 6) Humanes Herpesvirus 7 (HHV 7) Kaposi Sarkom assoziiertes Herpesvirus (HHV 8) Klassifizierung der humanen Herpesviridae nach biologischen Merkmalen Alphaherpesviren Betaherpesviren Gammaherpesviren Breites WirtszellSpektrum Enges WirtszellSpektrum Sehr enges WirtszellSpektrum Schnelle Replikation Langsame Replikation Latenz in sensorischen Ganglien Riesenzellen Langsame Replikation Latenz in B-Lymphozyten DNA Tumorviren HSV-1 HSV-2 VZV CMV HHV-6 HHV-7 EBV KSHV (HHV-8) Mehr als 200 verschiedene Herpesviren sind bisher aus unterschiedlichen Tierarten (Vertebraten und Invertebraten) isoliert worden. Zoonosen sind nicht beschrieben. c.a. 42 sind sequenziert Phylogenie und Systematik der Herpesvirales Herpesviridae Alloherpesviridae Malacoherpesviridae International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) Infektion und Virusreplikation (Überblick) RE TGN DE E TGN N NM ER Nucleus Nuclear Membrane Endocytoplasmic Reticulum TGN Trans Golgi Network E DE RE Envelopement Deenvelopement Reenvelopement Eintritt in die Zelle RE TGN DE E TGN Anheftung viraler Glykoproteine an zelluläre Rezeptoren. Danach Fusion der viralen Hüllmembran mit der Zytoplasmamembran. Das virale Capsid tritt in das Cytoplasma ein. (Aber: auch Endozytose möglich) Transport zum Zellkern RE TGN DE E TGN Das (nicht-umhüllte) virale Capsid wandert entlang des Cytoskeletts zu den Kernporen. Die virale DNS wird in den Kern eingeschleust. Das virale Capsid bleibt zurück. DNA Replikation im Zellkern (Latenz oder Lytische Replikation) RE DE E TGNLYTISCHE REPLIKATION ? LATENZ oder Das virale Genom zirkularisiert. LATENZ: virus- und gewebespezifische eingeschränkte Genexpression LYTISCHE REPLIKATION: Kaskade TGN der viralen Genexpression immediate early: Transaktivatoren (delayed) early: Enzyme für virale DNA Synthese Lytische Replikation late: Strukturproteine (Kapsid-, Tegument und Hüllproteine) Prozessierung und Verpackung der linearen viralen Genome in Kapside. Morphogenese: Budding (Kernmembran/Envelopment) RE TGN DE E TGN Virale Kapside lagern sich an der Kernlamina an und werden durch die innere Kernmembran geschleusst. Die Virionen sind jetzt umhüllt ! Morphogenese De-envelopment/Re-envelopment RE TGN DE E TGN Die umhüllten Virionen werden am ER ins Cytoplasma „entlassen“ (sie verlieren ihre Hülle wieder). Am TGN werden sie erneut umhüllt. Die letzte Hülle enthält gereifte Glykoproteine. Freisetzung der Nachkommenviren RE TGN DE E TGN Die infektiösen Viren werden zur Zelloberfläche transportiert und dort freigesetzt. Herpesviren • Genomreplikation: virale DNA-Polymerasen mit Korrekturfunktion • Tegument: Nukleäre und Zytoplasmatische Anteile der Wirtszelle im De-envelope/Re-envelope Model • Hüllmembran: auch Proteine der Zellmembran der Wirtszelle • Klassifizierung lytischer viraler Gene (Infektion/Reaktivierung): immediate early ► (delayed) early ► late Transkriptions► DNA Replikation ► Strukturproteine faktoren Inhibitoren: Proteinsynthese virale DNA Replikation Die ~ 30-40 "Core Proteine" sind konservierte Proteine, die von allen Herpesviren kodiert werden. Sie sind in Blöcken im Genom angeordnet, deren Anordnung charakteristisch für die drei Herpesviridae sind . Herpesviren: Genomstruktur Herpes-Simplex Virus U: "unique" Virus/Wirt Cytomegalovirus Varicella-Zoster Virus IR: internal repeats TR: terminal repeat Epstein-Barr Virus Humanes Herpesvirus 6 Humanes Herpesvirus 8/ Karposi-Sarcom Virus oriLyt oriP DNA Replikation oriLyt oriLyt TR TR oriP oriP TR Latente Replikation (EBV u. KSHV/ zell. DNA Polymerase) oriP oriP oriP TR TR TR TR Lytische Replikation virale DNA Polymerase TR TR oriLyt DNA Replikation Lytische DNA Replikation Latente DNA Replikation • • • Replikationsursprung: oriLyt virale DNA Polymerase 7 virale Proteine (delayed early) • • Replikationsursprung: oriP zelluläre DNA Polymerase virale Proteine: EBNA-1 (EBV)/LANA (KSHV) • • Zellzyklus asynchron Mechanismus: rolling circle • • Zellzyklus synchron Mechanismus: semi.konservativ, bidirectional oriP oriLyt EBNA-1 S-Phase: Replikation M-Phase: Segregation Episomale Vektoren Virale Vektoren in der Gentherapie • oriP • EBNA-1 • Plasmid (ColE1/AmpR) EBNA-1 oriP YGF= Your Favourite Gene Stabile Replikation in Säugetierzellen S-Phase: Replikation M-Phase: Segregation ColE1/AmpR Amplifikation der Plasmide in Bakterien Bacterial artificial chromosomes (BAC) Moderne Herpesvirusgenetik (homologe Rekombination vs. klassische Klonierungsstrategien) • • • • bakteriellen Replikationsursprung (F-Plasmid) bakteriellen Selektionsmarker (ampR,tetR) eukaryonten Selektionsmarker (neoR,hygR) Lebendfarbstoff (GFP) ermöglichen die gezielte Mutagenese der viralen Genome und Amplifikation in E.coli Beispiel:EBV - BAC F-Plasmid ori TR tetR/hygR oriP LMP-2 GFP LMP-1 EBNA-LP oriLyt EBNA-1 EBNA-3 neoR C B A Herpesviren Primärinfektion [IgM] [IgG] Latenzphase [IgG] Reaktivierung [IgM] eingeschränkte Immunität Molekulargenetischer Nachweis der Virus DNA: quantitative PCR zum Nachweis im Serum (häufig nur nach Reaktivierung möglich) [IgG] [IgG] Serologischer Nachweis einer Reaktivierung: [IgG] Titeranstieg [IgM] erneut vorhanden Varizella Zoster Durchseuchung: > 95% bei 16-17 Jährigen (Seroprevalenz) Primäre Zielzellen: Ausbreitung durch mononukleäre Zellen des Blutes 2. Phase: Endothelzellen - Epithelzellen der Haut Latenz in den Neuronen (und Glia/Satellitenzellen) der Spinalganglien Übertragungsmodus: Tröpfcheninfektion pränatal und perinatal Impfung: Attenuierter Lebendimpfstoff Varizella Zoster Windpocken (Varizellen) Primärinfektion Latenzphase Gürtelrose (Zoster) eingeschränkte Immunität Alter Reaktivierung Varizella Zoster Komplikationen im Rahmen von Varizellen Risikogruppen: Seronegative immungeschwächte Erwachsene (AIDS, Transplantation ..) Säuglinge seronegativer Mütter seronegative Schwangere (Pneumonie) ungeborene Säuglinge bei Erstinfektion der Mutter in der 5.- 24. SW in 1-2 % kongenitales Varizellensyndrom (d.h. 30% Lethalität, neurologische Symptome, Skelettanomalien, Augenschäden) Varizella Zoster Zoster: Endogene Reaktivierung des latenten VZV Risikogruppen: immungeschwächte Bevölkerungsgruppen 20% aller seropositiven älteren Menschen, die Varizellen hatten (und nicht geimpft sind) HHV6 und HHV7 Roseoloviren (ß-Herpesviridae) Durchseuchung: 95% der Bevölkerung im Alter von 2 Jahren Übertragung: Speichel, prä- und perinatal Primärinfektion: i.d. R. asymptomatisch Krankheitsbilder: HHV6B- Drei-Tagefieber (15-25% der schweren fieberhaften Erkrankungen die zu Krankenhauseinwesungen führen) Reaktivierung kann Transplantatabstoßung führen (selten) Immunsupression: Pneumonitis/Enzephalitis Herpes Simplex Virus 1 Primärinfektion Latenzphase UV, Stress…… eingeschränkte Immunität Reaktivierung Herpes Simplex Virus 1 und 2 • HSV1 Herpes labialis, Hornhautendzündungen Hepatiden, • HSV2 Herpes genitalis Meningitiden, Herpes neonatorum, Hornhautendzündungen, Erhöhtes Risiko einer HIV Infektion Herpes Simplex Virus 1 und 2 Durchseuchung: >75-95% HSV-1, 15-20% HSV-2 Primäre Zielzellen: Epithelzellen der Mukosa (orofacial/genital) Latenz in regionalen Nervenganglien HSV-1: Neurone der Trigeminusganglien HSV-2: Neurone der Lumbal- und Sakralganglien Übertragungsmodi: - direkter Kontakt (Speichel, Rezidive) - perinatale Übertragung (HSV-2) - Sexualkontakt (HSV-2) Es steht kein Impfstoff zu Verfügung HSV-1 Epithelzelle: Replikation Nervenzelle: Latenz (LAT Expression) Reaktivierung Regulation epigenetischer Veränderungen des Chromatins durch HSV Epithelzelle: Transkriptionell aktives Chromatin des viralen Genoms Nervenzelle: Transkriptionell inaktiviertes Chromatin des viralen Genoms Knipe and Cliffe 2008 Reifungsstadien einer miRNA aus Pri-miRNA und Pre-miRNA Nature Biotechnology 26, 400 - 401 (2008) Stefanie S Jeffrey Craig Mello und Andrew Fire Nobelpreis 2006 Herpesviren exprimieren miRNAs miR-Lat 1-6 kind gift by Rolf Renne Die LAT RNA ist die einzige RNA in den sensorischen Ganglien Sie kodiert nicht für Protein sondern für miRNAs Ausschnitt aus dem HSV-1 Genom: Jennifer Lin Umbach, Martha F. Kramer, Igor Jurak, Heather W. Karnowski, Donald M. Coen & Bryan R. Cullen Nature 454, 780-783 (7 August 2008) Die LAT RNA ist ein miRNA Vorläufer (pri-miRNA), der für 4 miRNAs kodiert miRNA Pre-miRNA miR-H2 ist komplementär zu dem immediate early Gen ICP0 und hemmt dessen Translation Protein RNA Cytomegalievirus (CMV) Durchseuchung: (sozioökonomische Unterschiede) Deutschland 50% USA/Kanada 80% Afrika 98-100% Latenz in Monozyten/Granulozyten(?) Übertragungsmodi: - direkter Kontakt (Speichel) - pränatal und perinatal - Blut & Blutprodukte - Organtransplantation Riesenzellen/ Eulenaugenzellen CMV Primärinfektion bei immundefizienten AIDS-Patienten bei immundefizienten Transplantationspatienten konnatale CMV Infektion i.d.r. ohne Symptome (Mononukleose) CMV Retinitis Pneumonie Gastroenteritis, Colitis Enzephalitis Abstoßungsreaktion Pneumonie Hepatitis Fehlbildungen von Organsystemen Chorioretinitis Encephalitis (geistige Behinderung) Epstein-Barr Virus (EBV) Primärinfektion Symptomlos oder Pfeiffersches Drüsenfieber Infektiöse Mononukleose Kissing Disease Latenzphase Immunsupression HIV Infektion Immune surveillance Reaktivierung Tumoren: u.a. Post-Transplantlymphome B-Zellaktivierung und Differenzierung Tonsille Lymphknoten Aktivierung der naiven B-Zelle Differenzierung zur Keimzentrums B-Zelle Antigenkontakt und T-Zellhilfe Proliferation Proliferation Hypermutation Class Switch Plasmazelle Selektion Differenzierung zur Gedächtnis B-Zelle Gedächtnis B-Zelle Der Lebenszyklus des EBV (Pathogenese) Infektion der primären naiven B-Zelle Post-transplant Lymphom latente Replikation AIDS assoziierte B-Zelllymphome Tonsille lytische Replikation Differenzierung zum aktivierten Lymphoblasten Proliferation oriLyt oriP Plasmazelle Differenzierung zur Keimzentrums B-Zelle Hodgkin Lymphom latente Replikation Burkitt Lymphom Latenzphasen assoziiert mit Proliferation ! Schrittweise Abschaltung der viralen Genexpression ! oriP Differenzierung zur Gedächtnis B-Zelle Gedächtnis B-Zelle Virus Reservoir: Periphere B-Zelle EBV Durchseuchung >95% Primäre Zielzellen: B-Lymphozyten Latenz in den Gedächtnis B-Zellen Übertragungsmodus: - Tröpfcheninfektion EBV assoziierte Tumoren • Burkitt‘s Lymphoma • Morbus Hodgkin EBV assoz. 40% Westl. Welt 90% Südamerika • Post-Transplant Lymphome • AIDS assoziierte Lymphome • Nasopharynx Karzinome • lymphoepitheliale Magenkarzinom • (Autoimmune Erkrankungen) Reed Sternberg Zelle Disease Association 1. Infectious Mononucleosis 2. Burkitt's lymphoma 3. Nasopharyngeal carcinoma 4. Lymphoproliferative disease and lymphoma in the immunosuppressed. 5. X-linked lymphoproliferative syndrome 6. Chronic infectious mononucleosis 7. Oral leukoplakia in AIDS patients 8. Chronic interstitial pneumonitis in AIDS patients. Epstein-Barr Virus Burkitt Lymphom (Dennis Burkitt 1958) • zytogenetische Marker: reziproke Translokation Chr.8 und Chr.14 oder Chr.2, 22 Chr. 8 c-myc Proto-onkogen (Transkriptionfaktor) Chr. 2, 22 und 14 Immunglobulin (Starke Enhancer der Transkription) • endemische Burkitt 95% EBV assoziiert • sporadische Burkitt 20% EBV assoziiert Epstein-Barr Virus Die multifaktorielle Entstehung des endemischen Burkitt Lymphoms • ruhende B-Zelle • EBV Infektion Polyklonale B-Zellaktivierung • Malaria Infektion Polyklonale B-Zellaktivierung • Keimzentrumsreaktion Sekundäre genetische Ereignisse Hypermutation Switching Chromosomale Translokation Aktivierung des c-myc Gens Kaposi’s sarcoma is associated with a new human Herpesvirus KSHV/HHV-8 1994 Moore and Chang KSHV (Kaposi-Sarkom assoziiertes Herpesvirus) Durchseuchung: Deutschland 2-3% Mittelmeerländer 10-50% Zentralafrika >50% Primäre Zielzellen und Ort der Latenz in immunkompetenten Menschen ist umstritten Kaposi Patienten: Latente Infektion in B-Lymphozyten des perpheren Blutes, Endothelzellen, Monozyten, Keratinozyten im Bereich der Läsionen des Kaposi Übertragungsmodi: - direkter Kontakt (Speichel) - Sexualkontakt - Blut und Blutprodukte Kaposi Sarkom Inzidenz und Seroprevalenz von KSHV korrelieren. Die HAART Therapie zur Behandlung von HIV hat zu einem deutlichen Rückgang der Inzidenz von AIDS assoziierten Kaposi Sarkomen geführt. Histopathologie: Zentrale proliferierende Zelle ist die KSHV infizierte Spindelzelle abberante Blutgefäßbildung mit Austritt von Zellen aus den Gefäßen Verfärbung des Gewebes durch Hämisiderin Einlagerung Endzündungsreaktion mit infiltierenden Zellen Tom Hanks in Philadelphia KSHV-Klinik Primärinfektion: • asymptomatisch/selten Fieber und Exantheme Maligne Erkrankungen • Kaposi Sarkom (Endothelzellen) klassische KS – Häufig Männer im Alter > 60 Jahren endemisch KS – regional Afrika iatrogen (= medikamentös z. Bsp nach Immunsuppression) AIDS- assoziiert • Primäres Effusionslymphom (B-Zellen, häufig HIV Patienten, sehr selten) • Morbus Castleman (B-Zellen, häufig HIV Patienten, sehr selten) Ausserdem: Knochenmarksversagen nach Knochenmark-Transplantation Herpesviren Vorlesung • Virologie Vorlesung LMU (Medizinische Fakultät) • Molekulare Virologie Modrow/ Falke/Truyen 2. Auflage (2003) • Fields Virology Band 2 4. Auflage (2007) PD Dr. Bettina Kempkes Hämotologikum Helmholtz Zentrum München Marchioninistr. 25 81377 München (Großhadern) [email protected]
