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]
Herunterladen

Herpes-Viren - Helmholtz Zentrum München