LABORATORIUMSMEDIZIN Abteilung Virologie Direktor: Prof. Dr. Thomas F. Schulz Forschungsprofil Thematische Schwerpunkte des Instituts für Virologie sind die Untersuchung der Mechanismen des Zelleintritts und der Latenz großer DNA-Viren (Herpes- und Adenoviren) sowie der Pathogenese dieser Viren; weiterhin besteht ein Interesse an der Familie der Enteroviren. Infektionen mit Herpes- und Adenoviren stellen ein großes, teilweise sogar lebensbedrohliches Risiko für immunsupprimierte Patienten dar. Diese Patientengruppe wird aufgrund der führenden Rolle der MHH in der Transplantationsmedizin zunehmend größer und bedarf einer adäquaten virologischen Diagnostik und begleitenden Forschung. Das Institut verfügt zur Zeit über vier Arbeitsgruppen, die von Prof. Dr. med. Thomas F. Schulz (Kaposi Sarcoma Herpesvirus/humanes Herpesvirus 8), Prof. Dr. rer. nat. Martin Messerle (Cytomegalovirus), HD Dr. rer. nat. Beate Sodeik (Herpes simplex-Virus) und PD Dr. med. Albert Heim (Adenoviren, Enteroviren) geleitet werden. Von den in 2005 am Institut tätigen vier Forschungsgruppen verfügen drei über substantielle, begutachtete Drittmittel (DFG, Land Niedersachsen, Wilhelm-Sander-Stiftung, DAAD). Wir sind an einem der an der MHH angesiedelten DFG-Sonderforschungsbereiche (SFB 566; „Zytokin-Rezeptoren und Zytokin-abhängige Signalwege als therapeutische Zielstrukturen“) beteiligt und ab 01/2006 wird die Arbeitsgruppe von Prof. Messerle den SFB 587 („Immunreaktion der Lunge bei Infektion und Allergie“) mit einem Projekt verstärken. Weiterhin nehmen wir an drei nationalen Schwerpunktprogrammen der DFG („Molekulare Motoren“, „Infektionen des Endothels“ und „Dynamics of cellular membranes and their exploitation by viruses“), dem DFG Graduiertenkolleg 745 („Mukosale Erreger-Wirtsinteraktionen“) und dem vom Land Niedersachsen geförderten Graduiertenkolleg „Infektionsbiologie“ teil. Alle vier Arbeitsgruppen der Abteilung leisten einen Beitrag zum PhD-Lehrprogramm des „Zentrums für Infektionsbiologie“, das von der MHH, der TiHo, der Universität Hannover und der GBF in Braunschweig getragen wird. Das Institut verfügt über besondere Expertise in der molekularen Virologie (T.F. Schulz, M. Messerle), der Zellbiologie von DNA-Viren (B. Sodeik) und der molekularen Diagnostik von Virusinfektionen (A. Heim). Die internationale Anerkennung der Gruppenleiter wird durch die Herausgeberschaften internationaler Fachzeitschriften (J. General Virology, T.F. Schulz; Cellular Microbiology, B. Sodeik; J. Med. Microbiology, A. Heim) sowie der Beteiligung an der Organisation internationaler Kongresse (AIDS Malignancy Conference, Intl. KSHV Workshop, T.F. Schulz) unterstrichen. Im März 2005 hat die Abteilung die Jahrestagung der Gesellschaft für Virologie an der MHH ausgerichtet. Mit über 800 Teilnehmern war der Kongress ein großer Erfolg und fand bei den deutschen Virologen hohe Anerkennung. MHH Forschungsbericht 2005 661 LABORATORIUMSMEDIZIN Forschungsprojekte Interaktion von Cytomegalovirus mit der Funktion dendritischer Zellen: Charakterisierung der verantwortlichen viralen Gene In vielen Transplantationszentren gehört die Infektion mit dem Cytomegalovirus (CMV) immer noch zu einer der häufigsten opportunistischen Infektionen von Patienten nach Organtransplantation. Dank verbesserter Diagnostik und antiviraler Therapie konnte die Mortalität bei einer CMV-Erkrankung zwar deutlich gesenkt werden, der erhöhte Therapieaufwand erhöht die Kosten einer Organtransplantation jedoch um 40 – 50% und eine einmal manifestierte interstitielle Pneumonie ist nach wie vor nur schwer zu therapieren und verläuft auch heute noch oft fatal. Zudem bleibt die chronische CMV-Infektion ein klinisches Problem, da sie als eine der Ursachen für den Funktionsverlust bzw. die Abstoßung von transplantierten Abb. 1: Expression der Proteine MHC II, CD86, CD80, CD40 und CD54 auf der Oberfläche MCMV-infizierter DC (grüne Kurve) und nicht-infizierter DC (schwarze Kurve) der gleichen Kultur 40 h nach Infektion im Vergleich zu DC einer mockinfizierten Kultur (grau unterlegte Kurve). Organen gilt. Nach allogener Knochenmarktransplantation stellt die CMV-Infektion ebenfalls einen bedeutenden Risikofaktor für die Transplantat-Abstoßung sowie für die chronische Graftversus-Host-Erkrankung dar. In Individuen mit intaktem Immunsystem führt die CMV-Infektion zu einer transienten Immunsuppression und in bereits immungeschwächten Patienten kann CMV den Grad der Immunsuppression noch weiter erhöhen. Die Beobachtung, dass CMV dendritische Zellen infizieren und in ihrer Funktion beeinträchtigen kann, könnte die immunsupprimierende Wirkung von CMV erklären. Da dendritische Zellen (DC) über eine Schlüsselfunktion bei der Initiation der primären Immunantwort verfügen, wird vermutet, dass CMV diese Zellen beeinflusst, um die antivirale Immunantwort zu blockieren oder zumindest zu verzögern und damit letztlich eine persistente Infektion zu ermöglichen. Wir interessieren uns für die viralen Faktoren, welche die Funktionen der DC beeinträchtigen. Diese Untersuchungen führen wir am murinen Modell der CMV-Infektion mit dem murinen Cytomegalovirus (MCMV) durch, da sich die die biologische Bedeutung der Gene des humanen CMV, die dendritische Zellen beeinflussen, aufgrund der strikten Spezies-Spezifität von HCMV in vivo experimentell nicht prüfen lässt. Viele grundlegende Aspekte der Pathogenese der CMV-Infektion wurden mit Hilfe von MCMV analysiert und die Erkenntnisse über die immunmodulierenden Funktionen von MCMV und deren biologische Relevanz haben einen hohen prädiktiven Wert für die Funktion analoger HCMV-Gene. 662 MHH Forschungsbericht 2005 LABORATORIUMSMEDIZIN Das murine CMV kann sowohl unreife als auch reife DC infizieren, wobei die Infektion in unreifen DC produktiv verläuft, während aus reifen DC keine Nachkommenviren freigesetzt werden. In der späten Phase der MCMV-Infektion in reifen DC beobachteten wir eine starke Verminderung der Oberflächen-Expression von MHC Klasse I und II-Molekülen, der ko-stimulatorischen Proteine CD80, CD86 und CD40 sowie von Adhäsionsproteinen wie CD54 (Abb.1). Die Fähigkeit der DC, autologe T-Zellen zu stimulieren, ging verloren. Interessanterweise konnten MCMV-infizierte DC bereits in der frühen Infektionsphase allogene T-Zellen nicht mehr zur Proliferation anregen, eine wichtige Beobachtung und mögliche Erklärung für das Risiko einer CMV-Erkrankung bei Patienten nach allogener Organtransplantation. Die starke Veränderung in der Expression der Proteine auf der Oberfläche der DC wurde nur in infizierten Zellen, jedoch nicht in nicht-infizierten Zellen der gleichen Kulturen beobachtet. Abb. 2: Genetische Strategie zur Identifizierung viraler Gene (forward genetics). Daraus folgerten wir, dass diese Effekte intrazellulär durch virale Proteine verursacht werden und nicht durch eventuell freigesetzte Zytokine bedingt sind. Für die Identifizierung von CMV-Genen, die für bestimmte virale Funktionen verantwortlich sind, haben wir in den letzten Jahren die technischen Voraussetzungen geschaffen, indem wir die CMV-Genome als Bacterial Artificial Chromosome (BAC) in E.coli kloniert und Mutagenese-Methoden etabliert haben, welche die Herstellung jeder gewünschten Virusmutante erlauben. Von besonderer Bedeutung ist die Möglichkeit, vollständige Bibliotheken von Virusmutanten herzustellen, eine Sammlung von Viren, die mindestens eine Mutante zu jedem viralen Gen umfasst. Durch Screening der Mutanten auf den Ausfall einer spezifischen Funktion (loss of function) können wir das virale Gen finden, das für die entsprechende Funktion kodiert (Abb. 2). Relativ schnell haben wir eine MCMV-Mutante mit einer großen Deletion gefunden, die nicht mehr in der Lage ist, die Expression von CD86 bzw. von CD40 auf antigen-präsentierenden Zellen zu beeinflussen. Durch Herstellung und Prüfung von MCMV-Mutanten mit kleineren Deletionen bzw. Knock-outs einzelner Gene konnten wir zunächst die Zahl der Kandidatengene weiter einengen und schließlich die viralen Gene identifizieren, die für die Beeinflussung von CD86 bzw. CD40 auf der Oberfläche antigen-präsentierender Zellen verantwortlich sind. Das eine Gen, modB7-2, kodiert für ein Typ III-Transmembranprotein und das andere Gen für ein Typ I-Transmembranprotein. Im Mittelpunkt der gegenwärtigen Arbeiten stehen die Charakterisierung dieser viralen Proteine und die Untersuchung ihres Wirkungs- MHH Forschungsbericht 2005 663 LABORATORIUMSMEDIZIN mechanismus. Dazu werden wir die viralen Gene mit Hilfe von retroviralen Vektoren einzeln in dendritischen Zellen exprimieren, um festzustellen, ob sie ihre Funktion alleine oder nur im Zusammenwirken mit anderen CMV-Proteinen ausüben können. Weiterhin werden wir ihre subzelluläre Lokalisation und die Interaktion mit ihren Zielproteinen analysieren. Unter Verwendung von Inhibitoren intrazellulärer Transportwege bzw. Enzyme konnten wir bereits feststellen, dass intakte Proteasomen für die viral-induzierte Internalisierung von CD86 benötigt werden. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Jonjic (Medizinische Fakultät Rijeka, Kroatien) haben wir begonnen, die Eigenschaften der entsprechenden MCMVMutanten in vivo zu charakterisieren, um die biologischen Bedeutung der viralen Gene bei der Modulation der DC-Funktionen zu bestimmen. Die Kenntnis der Pathogenese-Mechanismen von CMV und die Aufklärung der Prinzipien der viralen Immunmodulation können neue Perspektiven für die Entwicklung einer CMVVakzine und von antiviraler Therapien eröffnen. Projektleiter: Penelope Kay-Jackson, Lars Steinbrück, Andrea Loewendorf, Eva Borst, Martin Messerle; Förderung: DFG-Einzelverfahren; ME1102/2-1. Weitere Forschungsprojekte Die Funktion des latenten Membranproteins (TMP/K15) des Kaposi’s Sarkoma Herpesvirus Projektleiter: Prof. T.F. Schulz (M. Brinkmann, M. Pietrek, L. Wang); Förderung: DFG; SFB 566 TP B11, DAAD Die Infektion endothelialer Zellen mit dem humanen Herpesvirus 8 (KSHV/HHV8): Mechanismen der Persistenz, Replikation und abnormaler Differenzierung Projektleiter: Prof. T.F. Schulz (M. Ottinger, D. Pliquet, K. Alkharsah); Förderung: DFG; Schu 1436/2-1, 2-2 im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramm SP 1130 ‚Infektionen des Endothels’, DAAD Mechanismen der Interaktion des latenten nukleären Antigens (‚LANA’) des Kaposi Sarkoma Herpesvirus mit nukleärem Heterochromatin Projektleiter: Prof. T.F. Schulz (E. Brüning); Förderung: Landesgraduiertenkolleg Infektionsbiologie Die Rolle intrazellulärer Signalwege bei der Reaktivierung des KSHV/HHV8 aus der Latenz Projektleiter: Prof. T.F. Schulz (S. Hartmann); Förderung: DFG GK 745 664 MHH Forschungsbericht 2005 LABORATORIUMSMEDIZIN Risikofaktoren für die Übertragung von KSHV/HHV8 auf Kleinkinder im ländlichen Südafrika Projektleiter: Prof. T.F. Schulz (K. Alkharsah, M. Dedicoat); Förderung: DAAD Die Rolle des Humanen Herpesvirus 8 in der Pathogenese der Primären Pulmonalen Hypertonie Projektleiter: Dr. med. C. Henke-Gendo; Förderung: Private Stiftung Analyse des bidirektionalen Mikrotubuli-Transportes von Herpes-Simplex-Virus in lebenden Zellen und die Rolle des potentiellen viralen Dynein-Rezeptors VP26 Projektleiterin: H.Doz. PD Dr. rer. nat. B. Sodeik (K. Döhner); Förderung: DFG Sod403/1, Einzelverfahren Biochemische Charakterisierung des Mikrotubuli-vermittelten Kapsidtransportes von Herpes-Simplex-Virus und die Funktion der inneren Tegumentproteine Projektleiterin: H.Doz. PD Dr. rer. nat. B. Sodeik (K. Radtke; A. Wolfstein); Förderung: DFG Sod403/2, SPP Molekulare Motoren; MHH – Zentrum für Infektionsforschung Klonierung eines bakteriellen, artifiziellen Chromosoms zur Analyse der Zellbiologie von Herpes-Simplex-Virus Projektleiterin: H.Doz. PD Dr. rer. nat. B. Sodeik (C.-N. Nagel, M. Fathollahy, E. Borst, M. Messerle); Förderung: DFG Sod403/2; SPP Molekulare Motoren; Die Freisetzung des Genoms von Herpes-Simplex-Virus an der Kernpore Projektleiterin: H.Doz. PD Dr. rer. nat. B. Sodeik (K. Rode); Förderung: DFG-GK745, DAAD, Kollaboration mit der University of Helsinki, Finnland. Identifizierung zellulärer Kinasen als potentielle Zielstrukturen für eine anti-virale Therapie von Herpes-Simplex-Virus-Infektionen Projektleiterin: H.Doz. PD Dr. rer. nat. B. Sodeik (K. Theusner, U. Prank); Förderung: MHH - Zentrum für Infektionsforschung Die Rolle des viralen Kinesin-Rezeptors US11 für die Freisetzung von Herpes-SimplexVirus aus infizierten Neuronen Projektleiterin: H.Doz. PD Dr. rer. nat. B. Sodeik (J. Janus, K. Döhner); Förderung: MHH – Zentrum für Infektionsforschung. Charakterisierung des großen Tegumentproteins VP1-3 von Herpes-Simplex-Virus Projektleiterin: H.Doz. PD Dr. rer. nat. B. Sodeik (J. Schipke, C.-H. Nagel); Förderung: Volkswagenstiftung, Kollaboration mit der Technion University, Israel. MHH Forschungsbericht 2005 665 LABORATORIUMSMEDIZIN Entwicklung neuer onkolytischer Herpes simplex-Viren und Biolumineszenz-basierte Prüfung für die Therapie von malignen Gliomen Projektleiter: Prof. Dr. M. Messerle (N. Müther); Förderung: Wilhelm-Sander-Stiftung; 2004.075.1 Virale Faktoren für den Epithelzell-Tropismus von Cytomegalievirus Projektleiter: Prof. Dr. M. Messerle (S. Sengstake); Förderung: DFG; Graduiertenkolleg 745 Characterization of the essential cytomegalovirus protein pUL77 as basis for the development of new antivirals and of a replication-deficient CMV DISC-vaccine Projektleiter: Prof. Dr. M. Messerle (M. Glaß); Förderung: Zentrum für Infektionsbiologie (ZIB), Wilhelm-Hirte-Stiftung Modulation der Induktion der zellulären Genexpression von Coxsackievirus B3 durch Cytokin-Antagonisten Projektleiter: PD. Dr. med. A. Heim (F. Rehren, B. Eckhardt) Molekulare Evolution der antigenen Determinanten Adenoviren und der humanen Projektleiter: PD. Dr. med. A. Heim (I. Madisch) Ein „Hexon-Loop 2“-Sequenz basiertes Typisierungssystem für human Adenoviren Projektleiter: PD. Dr. med. A. Heim (I. Madisch, H. Pommer, G. Harste) Molekulare Epidemiologie und Charakterisierung von europäischen Adenovirus Typ 31 Isolaten von immunsupprimierten Patienten Projektleiter: PD. Dr. med. A. Heim (S. Hofmayer, I. Madisch, G. Harste) Molekulare Typisierung von klinischen Herpes simplex-Virusisolaten Projektleiterin: Dr. med. I. Engelmann Originalpublikationen Alzahrani AJ, El-Harith el-HA, Milzer J, Obeid OE, Stuhrmann M, Al-Dayel A, Mohamed EA, Al-Egail S, Daoud M, Chowdhury A, Guella A, Aloraifi I, Schulz TF. Increased seroprevalence of human herpes virus-8 in renal transplant recipients in Saudi Arabia. Nephrol Dial Transplant. 2005; 20:2532-6. 666 Borst EM, Messerle M. 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Emrah Kati (Dr. med.): Characterization and Functional Comparison of the LatencyAssociated Nuclear Antigen-1 (LANA-1) of Kaposi´s Sarcoma-Associated Herpesvirus (KSHV) and its Homologues in other Rhadinoviruses. MHH Forschungsbericht 2005 LABORATORIUMSMEDIZIN Andrea Loewendorf (Dr. rer. nat.; Halle (Saale)): Identifizierung und Charakterisierung immunmodulatorischer Gene des Maus-Cytomegalievirus. Matthias Ottinger (PhD, TiHo, PhD Programm): Functional characterisation of γ 2- herpesviral orf73 proteins and their interaction with the cellular proteins brd2 and brd4. Ralf Richtsteiger (Dr. med.): Quantitative Multiplex Real-Time PCR for the Sensitive Detection of Interferon-ß Gene Induction and Viral Suppression of Interferon-ß Gene Expression. Diplome Björn Breyer (Diplom Biologie, Universität Hannover): Charakterisierung des 5´ untranslatierten Bereiches des K15-Gens des Kaposi Sarkom-assoziierten Herpesvirus. Thomas Christalla (Diplom Biologie, Universität Hannover): Etablierung eines ELISA zur Messung der Interaktion von γ-herpesviralen orf73 Proteinen mit rekombinanten BRD4/ HUNK Proteinvarianten. Bernhard Ellinger (Diplom Biochemie; Universität Halle (Saale)): Untersuchungen zur Protein-Protein-Interaktion immunmodulatorischer Proteine des murinen Cytomegalovirus. Mandy Glaß (Diplom Biochemie, Universität Halle (Saale)): Untersuchungen zur Eignung zellulärer Promotoren für die Entwicklung onkolytischer HSV-Vektoren. Jessica Janus (Diplom Biologie, Universität Hannover): Bidirektionaler MikrotubuliTransport während des Zelleintritts von MHH Forschungsbericht 2005 Herpes-Simplex-Virus Typ1: Die Rolle von US11 und Kinesinen. Camilla Krause (Diplom Biologie, Universität Hannover): Die Kartierung von Zielstellen Ring3-abhängiger Phosphorylierung. Marcel Pietrek (Diplom Biologie, Universität Hannover): Die Auswirkung des viralen Membranproteins K15 des Kaposi Sarkom-assoziierten Herpesvirus (KSHV) auf zelluläre Genexpression. Daniel Pliquet (Diplom Biochemie, Universität Hannover): Strukturelle Untersuchungen am Protein des offenen Leserahmens 73 des murinen Gammaherpesvirus 68. Fabienne Rehren (Diplom Biochemie, Universität Hannover): Induktion der zellulären Genexpression durch Coxsackievirus B3. Julia Schipke (Diplom Biologie, Universität Hannover): Charakterisierung von C-terminalen Deletionsmutanten des großen Tegumentproteins VP1-3 von Herpes-Simplex-Virus Typ 1. Wissenschaftspreise Matthias Ottinger: Domagk Preis für Biowissenschaften der Tiermedizinischen Hochschule Hannover. Weitere Tätigkeiten in der Forschung T.F. Schulz: Mitglied im Ausschuss für Angelegenheiten der Sonderforschungsbereiche der DFG; Mitglied im Bewilligungsausschuss der Sonderforschungsbereiche der DFG; Mitglied des Editorial Board von J. Gen. Virol.; Gutachter für diverse virologische Fachzeitschriften. 669 LABORATORIUMSMEDIZIN B. Sodeik: Vorstandsmitglied im DFG-GK745 und Mitglied der MHH-Kommission für das MD/PhD-Programm „Molecular Medicine“ ; Mitglied im Editorial Board der Zeitschrift Cellular Microbiology; Fachgutachterin der DFG für Einzelverfahren und des Wellcome Trusts (England); Gutachterin für die Fachzeitschriften Cell. Microbiol., J. Cell Biol., J. Cell Sci., J. Gen. Virol., J. Proteomics Res., J. Virol., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Science, Traffic. M. Messerle: Adhoc-Gutachter der DFG für Einzelverfahren. Gutachter für die Fachjournale J. Virol., J. Gen. Virol. und Arch. Virol. A. Heim: Mitglied im Editorial Board von J. Med. Microbiology. 670 MHH Forschungsbericht 2005