Form follows function: Zusammenbau und Reifung des humanen

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2011
VIROLOGISCHES INSTITUT · KLINISCHE UND MOLEKULARE VIROLOGIE
NATIONALES REFERENZZENTRUM FÜR RETROVIREN · UNIVERSITÄTSKLINIKUM ERLANGEN
Für den Inhalt der Artikel sind die Autoren
allein verantwortlich.
Ziel dieses Bulletins ist es, Ärzte, Gesundheitsbehörden und Patienten über aktuelle
wissenschaftliche und klinische Themen
aus dem Bereich der Retroviren zu informieren. Viermal im Jahr wird in kurzer Form
der aktuelle Forschungsstand zu verschiedenen Themen wiedergegeben.
Für Verbesserungsvorschläge und Anregungen sind wir sehr dankbar.
Die Redaktion
NEUES AUS DER HIVGRUNDLAGENFORSCHUNG
KLINIK UND FORSCHUNG
• Form follows function: Zusammenbau
und Reifung des humanen Immundefizienz-Virus
PD Dr. rer. nat. Barbara Müller und
Prof. Dr. med. Hans-Georg Kräusslich,
Heidelberg
• Immunpathogenese von AIDS – welche Rolle spielen Typ I-Interferone?
PD Dr. med. Barbara Schmidt,
Erlangen
• Intrazelluläre Restriktionsfaktoren –
mit alten und neuen Freunden gegen
Retroviren
Prof. Dr. rer. nat. Thomas Gramberg,
Erlangen
NEUES AUS DER HIV-GRUNDLAGENFORSCHUNG
KLINIK UND FORSCHUNG
Form follows function: Zusammenbau und
Reifung des humanen Immundefizienz-Virus
Das Gag-Polyprotein: Hauptakteur der
HIV-Morphogenese
Die Partikelmorphogenese (Abb. 1) ist der letzte Schritt der HIV-Replikation. Neu synthetisierte Virusbestandteile lagern sich an der
Innenseite der Plasmamembran infizierter Zellen zu sphärischen Virusknospen zusammen,
die sich durch Abschnürung der umhüllenden
Lipidmembran von der Zelle lösen. Das virale
Polyprotein Gag ist für diesen Prozess von zentraler Bedeutung (Ganser-Pornillos et al., Curr
Opin Struct Biol 2008). Es gelangt über noch
nicht vollständig charakterisierte Transportwege zur Membran und kann dort selbst in Abwesenheit anderer Viruskomponenten virusähnliche Partikel bilden. Gag bringt weitere
essentielle Virusbestandteile, wie das Hüllprotein Env, die viralen Enzyme und die genomische RNA zur Knospungsstelle und rekrutiert
außerdem Teile der zellulären ESCRT (Endosomal Complex Required for Transport)-Maschinerie, die für die Virusfreisetzung benötigt
werden (Bieniasz, Virology 2006). Die rund
2.500 Gag-Moleküle machen etwa die Hälfte
der Gesamtmasse des Viruspartikels aus; GagUntereinheiten verpacken und schützen die
genetische Information von HIV.
Für die Organisation dieser komplexen Vorgänge muss Gag mit Proteinen, Nukleinsäuren
und Lipiden in zeitlich und räumlich koordinierter Abfolge interagieren. Dabei hilft der
modulare Aufbau des Proteins: es enthält ei-
C
ne Membranbindungsdomäne (Matrix, MA),
eine Multimerisierungsdomäne (Kapsid, CA),
eine nukleinsäurebindende Domäne (Nucleokapsid, NC) und eine Domäne zur Rekrutierung zellulärer Faktoren (p6) (Abb. 2). Zwei
Spacer -Peptide, SP1 und SP2, trennen die
Domänen voneinander und verleihen dem
Molekül Flexibilität und Regulierbarkeit, die
für die erfolgreiche Partikelbildung wichtig
sind. Das Zusammenspiel der verschiedenen
Domänen steuert die Assemblierung. Anschließend durchlaufen die Viren einen Reifungsprozess, bei dem die virale Protease (PR) das
Gag-Polyprotein in seine funktionellen Untereinheiten spaltet und sich die Virusarchitektur dramatisch verändert. Nur reife HI-Viren –
im Elektronenmikroskop am konusförmigen
Kapsid zu erkennen (siehe Abb. 1) – sind infektiös. Die proteolytische Prozessierung muss
ebenfalls exakt reguliert werden, damit die
freigesetzten Gag-Untereinheiten innerhalb
des winzigen Viruspartikels auf engstem Raum
die komplexe Struktur des reifen Virions aufbauen können.
Von der Virusknospe
zum freien Viruspartikel
Elektronenmikroskopische Untersuchungen
haben nicht nur Einblicke in die HIV-Partikelbildung und -architektur, sondern auch Hinweise auf den Mechanismus der morphologischen Reifung gegeben (Briggs und Kräusslich,
Abb. 1: Stadien der
HIV-Morphogenese.
Die elektronenmikroskopische Aufnahme
zeigt:
A eine frühe Virusknospe,
B ein unreifes und
C ein reifes Virion
an der Plasmamembran einer HIV-1infizierten T-Zelle
(DünnschnittElektronenmikroskopie:
Sonja Welsch).
B
A
200 nm
J Mol Biol 2011). Grundelement der unreifen
Gag-Hülle und des reifen Kapsids ist jeweils ein
Hexamer der CA-Domäne; die Struktur »unreifer« und »reifer« Hexamere ist jedoch nicht
identisch. In der Virusknospe und im unreifen
Partikel sind Gag-Moleküle an der Innenseite
der Plasmamembran parallel zueinander angeordnet. Die MA-Domäne verankert den Molekülverbund an der Membran, Zusammenhalt
vermitteln die C-terminale Domäne von CA
sowie die NC-Domäne, über die viele Gag-Moleküle gemeinsam an die virale RNA binden.
Ein regelmäßiges Gitter aus Gag-Hexameren wäre flach, in der Virusknospe finden sich
jedoch kleine unregelmäßige Lücken, die eine
Wölbung nach außen ermöglichen. Die Tatsache, dass die Gag-Hülle nur etwa 2/3 der
Lipidhülle auskleidet, spricht dafür, dass parallel zur Gag-Assemblierung eine aktive Abschnürung der Virusknospe – vermittelt durch
die zelluläre ESCRT-Maschinerie – stattfindet
(Carlson et al., Cell Host Microbe 2008). ESCRT
besteht aus vier Proteinkomplexen (ESCRT-0
bis -III) und assoziierten Proteinen. ESCRT
katalysiert verschiedene zelluläre MembranAbschnürungsprozesse, z.B. bei der Bildung
endosomaler Vesikel oder während der Zellteilung. Teile dieser Maschinerie werden von HIV
und einigen anderen umhüllten Viren für die
Partikelfreisetzung rekrutiert (Bieniasz, Virology 2006), die genaue Funktion der ESCRTKomponenten und der Mechanismus der Membranabschnürung sind aber noch nicht
bekannt. Fluoreszenzmarkierte HIV-Derivate
erlauben es, Gag-Assemblierung und Rekrutierung von RNA und ESCRT-Komponenten
zur Knospungsstelle mit Lebendmikroskopie
zu verfolgen (z.B. Jouvenet et al., Nat Cell Biol 2011; Baumgärtel et al., Nat Cell Biol 2011).
A
B
Membranbindung
NH2
MA
CA
NC
p6 COOH
Multimerisierung
Nukleinsäurebindung,
Multimerisierung
C
Rekrutierung der
ESCRT-Maschinerie
Matrix
Kapsid
Nukleokapsid
Zusammen mit biochemischen und strukturellen Daten ergibt sich daraus ein Modell
(Abb. 3): Zwei Moleküle genomische HIV-RNA
binden im Inneren der Zelle an einige GagMoleküle und werden anschließend über die
MA-Domänen an der Innenseite der Plasmamembran verankert. Dieser Komplex dient als
Andockstelle für weitere Gag-Moleküle, die in
etwa 10 Minuten zum Partikel assemblieren.
Parallel werden Komponenten des ESCRT-IKomplexes über die p6-Domäne an die Knospungsstelle gebracht; diese vermitteln schließlich die transiente Rekrutierung von ESCRT-III
und der ATPase VPS4, die gemeinsam das Abschnüren der Virusmembran von der Zelle katalysieren. Dieser Zeitverlauf weist ebenfalls
darauf hin, dass Gag und ESCRT bei Membrankrümmung und -abschnürung zusammenarbeiten.
Im Zusammenspiel mit der Partikelfreisetzung findet die proteolytische Reifung statt.
Erstaunlicherweise ist bis heute nicht bekannt,
wie dieser Vorgang ausgelöst wird. Die Spal-
RNA
ESCRT-I
Abb. 2: Das HIV-1-GagProtein:
A Aufbau von HIV-1-Gag.
Die Pfeilspitzen zeigen
Erkennungsstellen für die
HIV-1-Protease, die Größe
der Pfeile weist auf unterschiedliche Prozessierungsraten in vitro hin.
B Die Untereinheiten des
Gag-Polyproteins bilden
separat gefaltete Domänen mit unterschiedlicher
Funktion.
C Schematische Darstellung
der Gag-Untereinheiten im
reifen HI-Viruspartikel.
tung an den 5 Protease-Schnittstellen in Gag
erfolgt dabei nicht zufällig, sondern in einer
geordneten Reihenfolge (Briggs und Kräusslich, J Mol Biol 2011). Die Schnittstellen haben unterschiedliche Aminosäuresequenzen,
die in vitro mit sehr unterschiedlicher Effizienz von der HIV-Protease gespalten werden
(Abb. 2). Blockiert man die Spaltung an einzelnen Stellen durch Mutagenese, wird die
HIV-Partikelreifung insgesamt gestört und die
Infektiosität beeinträchtigt. Aus biochemischen und strukturellen Untersuchungen kann
ein Modell des Reifungsprozesses abgeleitet
werden (Abb. 4): Zuerst wird durch Proteolyse
am N-Terminus von NC der virale Nukleoproteinkomplex vom membrangebundenen Nterminalen Gag-Anteil abgelöst und kann in
der Folge kondensiert werden. Die Spaltung
zwischen MA und CA bewirkt die Trennung
des CA-Verbandes von der Membran. Schließlich muss noch die konusförmige CA-Hülle um
den Nukleoproteinkomplex aufgebaut werden. Cryo-elektronenmikroskopische Untersu-
ESCRT-III
VPS4
Abb. 3: Modell der HIV-Assemblierung und -Freisetzung. Das virale Gag-Protein und Komponenten der zellulären ESCRT-Maschinerie wirken zusammen bei
der Bildung der sphärischen Virusknospe und der Abschnürung der Virushülle von der Zellmembran (siehe Text).
Abb. 4: Modell für die Reifung eines HI-Virions. Die schrittweise proteolytische Spaltung des Gag-Polyproteins reguliert den Ablauf der morphologischen
Umlagerungen. Die Störung einzelner Reifungsschritte inhibiert die Infektiosität (siehe Text).
MA
CA
NC p6
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MA
CA
NC p6
MA
CA
NC
p6
MA
CA
NC
p6
2
chungen zeigen, dass CA-Hexamere im reifen
Kapsid lockerer gepackt sind als in der unreifen Hülle und nur etwa die Hälfte der verfügbaren CA-Moleküle an der Ausbildung des
reifen Kapsids beteiligt sind (Briggs und
Kräusslich, J Mol Biol 2011). Beides deutet darauf hin, dass die Kapsidreifung nicht durch
Kondensation des bestehenden CA-Gitters erfolgt, sondern dass im Inneren des Virions eine Dissoziation des CA-Multimers, gefolgt von
Assemblierung des reifen Kapsids, stattfindet.
Reguliert wird dies durch die langsame Abspaltung des SP1 von CA, welche den Aufbau
des reifen Kapsids ermöglicht.
Reifung: Abschluss des Replikationszyklus
oder Beginn einer neuen Infektion?
Die Virusreifung kann wahlweise als der letzte oder als der erste Schritt des Replikationszyklus betrachtet werden: durch Proteolyse
der inneren Strukturproteine schaltet HIV vom
»Zusammenbau(Assembly)-Modus« in den
»Zelleintritts-Modus« um. Die HIV-Reifung
löst dabei ein generelles Problem: In der produzierenden Zelle werden stabile Virionen gebildet; diese müssen (möglicherweise sehr
bald danach) in der nächsten Wirtszelle zerfallen, um das Virusgenom freizusetzen. Neben der Aktivierung viraler Enzyme durch Prozessierung des Gag-Pol-Polyproteins ist die
Regulierung der Hüllstabilität eine wesentliche Funktion der HIV-Reifung. Während unreife HIV-Partikel nach Entfernung der Lipidhülle mit Detergens stabil sind, zerfallen reife
Kapside rasch. Reife Partikel weisen außerdem
eine geringere mechanische Stabilität als unreife Virionen auf. Mutationen, die die Stabilität des reifen Kapsids verändern, blockieren
Replikationsschritte nach dem Zelleintritt, im
Wesentlichen die Reverse Transkription des
Genoms. Sowohl Stabilisierung als auch Destabilisierung des Kapsids wirken sich dabei
negativ aus; regulierte Kapsid-Dissoziation in
der neu infizierten Zelle steuert also vermutlich die Abläufe in der frühen Replikationsphase. Darüber hinaus ist die Fusionskompetenz unreifer HI-Viren um ein Vielfaches
geringer als die reifer Viren, obwohl das virale
Env-Glykoprotein, das für die Fusion verantwortlich ist, nicht durch die HIV-Protease gespalten wird.
HIV-Morphogenese als Ziel antiviraler
Therapie
Grundbestandteile moderner HIV-Kombinationstherapien (HAART = highly active antiretroviral therapy) sind Hemmer der viralen
Reversen Transkriptase und der Protease. Auch
wenn die Entfernung der einmal integrierten
proviralen DNA aus dem Genom der Wirtszelle – und damit eine echte Heilung des Patienten – bisher nicht möglich ist, kann eine gut
angepasste Kombinationstherapie die Viruslast dauerhaft senken und dadurch den Ausbruch bzw. das Fortschreiten der Erkrankung
verhindern oder verlangsamen. Auf Grund der
hohen genetischen Variabilität von HIV und
der Notwendigkeit der dauerhaften Medikamenteneinnahme ist Resistenzentwicklung
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ein wesentliches Problem der gegenwärtigen
Therapie. Eine Palette verschiedener Wirkstoffklassen, die möglichst viele unterschiedliche Ziele im Replikationszyklus angreifen, ist
daher Voraussetzung für die langfristig erfolgreiche Behandlung mit Virostatika.
Inhibitoren der HIV-Protease sind seit Jahren fester Bestandteil von HAART (Anderson et
al., Handb Exp Pharmacol 2009). Ihre Wirkung
beruht auf einer Unterbrechung der Virusmorphogenese: aus der infizierten Zelle werden
zwar noch Partikel freigesetzt, diese können
jedoch nicht mehr reifen und sind nicht infektiös. Die Wirkweise dieser Virostatika macht
erneut die empfindliche Balance der Virusreifung deutlich. In Zellkultur ist selbst bei geringfügiger Hemmung der Gag-Spaltung ein
deutlicher Effekt auf die HIV-Infektiosität
nachweisbar. Bereits ein kleiner Anteil an unvollständig gespaltenen Bruchstücken des Polyproteins stört offenbar die geordnete Reifung des Partikels und verstärkt so den Effekt.
Sogar partielle Hemmung der Spaltung an einer einzigen Stelle genügt: Der Maturationsinhibitor Bevirimat, der durch Bindung an die
Spaltstelle zwischen CA und SP1 die Proteolyse an dieser Stelle verlangsamt und die unreife Konformation der Kapsidhülle stabilisiert,
ist ein effizienter Inhibitor der HIV-Replikation in vitro und zeigte auch bei einigen Patienten gute Wirksamkeit (Adamson et al., Expert Opin Ther Targets 2009). Allerdings wurden Gag-Mutationen, die Resistenz gegen
Bevirimat vermitteln, als häufig vorkommende natürliche Polymorphismen bei Viren aus
Therapie-naiven Patienten nachgewiesen. Die
klinische Entwicklung ist derzeit eingestellt.
Nicht nur eine Hemmung, sondern auch eine
Stimulation der Protease-Aktivität hemmt die
HIV-Ausbreitung in Zellkultur. Wird die
virale Protease – z.B. durch Mutation – vorzeitig oder zu stark aktiviert, führt das zur
Spaltung von Gag, bevor die unreifen Partikel assemblieren. Medikamente, die dieses
Prinzip ausnutzen, wurden bisher allerdings
nicht entwickelt.
Assembly-Inhibitoren würden die Palette
der antiviralen Medikamente bereichern. Da
theoretisch die Störung von einigen Gag-GagWechselwirkungen im Partikel genügen sollte,
um die Ausbildung der multimeren Struktur
insgesamt zu blockieren, stellt das Assembly
ein attraktives Ziel für die antivirale Therapie
dar. Einige Substanzen sind in der Entwicklung, bisher ist jedoch kein Inhibitor des HIVAssembly zur Therapie zugelassen. Schließlich
ist auch vorstellbar, die HIV-Freisetzung durch
gezielte Störung der Gag-ESCRT-Wechselwirkungen zu hemmen. Angriffe auf zelluläre Interaktionspartner bergen allerdings die Gefahr, auch essentielle zelluläre Funktionen zu
beeinträchtigen. Sollte es jedoch gelingen, gezielt »virusspezifische« Funktionen von ESCRT
zu charakterisieren und auszuschalten, könnten daraus Medikamente resultieren, gegen
die HIV weniger schnell resistent werden kann.
Eventuell ermöglicht dies sogar die Entwicklung von Breitband-Virostatika, die gegen alle
ESCRT-nutzenden Pathogene wirken.
Zusammenfassung
Die HIV-Morphogenese wird vom HauptStrukturprotein Gag gesteuert. Es rekrutiert
wesentliche Virusbestandteile und essentielle
zelluläre Faktoren zur viralen Knospungsstelle
an der Plasmamembran der Zelle, reguliert die
Virusbildung und -freisetzung und bildet den
Hauptbestandteil des HI-Viruspartikels. GagPolyproteine formen die sphärische Hülle des
neu gebildeten Virus; die Spaltung des Polyproteins durch die virale Protease in einer kontrollierten Abfolge proteolytischer Schritte
bewirkt anschließend eine morphologische
Umlagerung der Virusstruktur und ist Voraussetzung für die Infektiosität von HIV. Da bereits geringfügige Störungen in diesem komplexen Prozess zum Verlust der Infektiosität
führen können, ist die HIV-Morphogenese ein
attraktives Ziel für die antivirale Therapie.
PD Dr. rer. nat. Barbara Müller und
Prof. Dr. med. Hans-Georg Kräusslich
Department für Infektiologie, Virologie
Universitätsklinikum Heidelberg
[email protected]
[email protected]
Literaturhinweise
Adamson CS, Salzwedel K, Freed EO. Virus maturation as a new HIV-1 therapeutic target. Expert
Opin Ther Targets 2009; 13: 895-908.
Anderson J, Schiffer C, Lee SK, et al. Viral protease inhibitors. Handb Exp Pharmacol 2009; 189:
85-110.
Baumgärtel V, Ivanchenko S, Dupont A, et al.
Live-cell visualization of dynamics of HIV budding
site interactions with an ESCRT component. Nat
Cell Biol 2011; 13: 469-74.
Bieniasz PD. Late budding domains and host
proteins in enveloped virus release. Virology 2006;
344: 55-63.
Briggs JA, Kräusslich HG. The Molecular Architecture of HIV. J Mol Biol 2011; 410: 491-500.
Carlson LA, Briggs JA, Glass B, et al. Threedimensional analysis of budding sites and released
virus suggests a revised model for HIV-1 morphogenesis. Cell Host Microbe 2008; 4: 592-99.
Ganser-Pornillos BK, Yeager M, Sundquist WI.
The structural biology of HIV assembly. Curr Opin
Struct Biol 2008; 18: 203-17.
Jouvenet N, Zhadina M, Bieniasz PD, et al. Dynamics of ESCRT protein recruitment during retroviral assembly. Nat Cell Biol 2011; 13: 394-401.
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KLINIK UND FORSCHUNG
Immunpathogenese von AIDS –
welche Rolle spielen Typ I-Interferone?
HIV-Therapie: Sind alle Probleme gelöst?
In den vergangenen 15 Jahren hat die Therapie HIV-infizierter Patienten wesentliche Fortschritte gemacht. Durch die Anstrengungen
der Grundlagen- und angewandten Forschung
sowie der Pharmaindustrie stehen mittlerweile mehr als 20 zugelassene Substanzen für die
antiretrovirale Therapie zur Verfügung, die eine effiziente und langanhaltende Unterdrückung der Viruslast mit Erholung des Immunsystems bei fast normaler Lebenszeit erlauben.
Also alles bestens? Mit wachsender Erfahrung
in der antiretroviralen Therapie wächst auch
die Erkenntnis, dass damit nicht alle Probleme
gelöst sind. Zum einen gibt es Patienten, bei
denen trotz nicht nachweisbarer Viruslast
über viele Jahre die Helferzellzahl nicht adäquat ansteigt. Zum anderen nimmt die Häufigkeit bösartiger Tumore bei HIV-Patienten
zu; dabei handelt es sich allerdings nicht um
die klassischen AIDS-definierenden Malignome wie das Kaposi-Sarkom, sondern vielmehr
um Epstein-Barr-Virus (EBV)-bedingte NonHodgkin-Lymphome sowie die mit Humanen
Papillomviren (HPV) assoziierten analen Tumore (Hensel et al., Dtsch Arztebl Int 2011).
Liegt es nur daran, dass älter werdende HIVinfizierte Personen ihren Tumor jetzt erleben?
Oder müssen wir lernen, dass bei der HIV-Infektion Mechanismen das Krankheitsgeschehen beeinflussen, welche durch die Unterdrückung der Virusvermehrung alleine nicht
vollständig auszuschalten sind?
Jenseits von HIV
Offensichtlich reicht die Hemmung der Virusvermehrung durch die antiretrovirale Therapie
nicht aus, um alle durch das Virus verursachten Schäden am Immunsystem rückgängig zu
machen. Dies könnte daran liegen, dass neben
der Immunschädigung durch HIV ein weiterer
Faktor zum Tragen kommt, der in den letzten
Jahren immer mehr in den Fokus des wissenschaftlichen Interesses gerückt ist: die chronische Immunaktivierung. Nicht nur im Menschen, sondern auch im Affenmodell lässt sich
nachweisen, dass die chronische Stimulation
des Immunsystems eine wesentliche Rolle in
der Immunpathogenese der HIV-Infektion
spielt (Kirchhoff, Nat Rev Microbiol 2009).
Wenn man die pathogene – d.h. mit fortschreitendem Abfall der Helferzellen einhergehende – HIV-1-Infektion und die nicht pathogene, durch unterschiedliche Stämme des
Affen-Immunschwäche-Virus SIV (simian immunodeficiency virus) hervorgerufene, natürliche Infektion von Primaten gegenüberstellt,
ist das Ausmaß der Virusvermehrung in der
akuten und chronischen Phase vergleichbar.
Auch lässt sich zwischen den verschiedenen
Viren kein Unterschied in der Fähigkeit erkenwww.virologie.uni-erlangen.de
nen, Helferzellen in Zellkultur zu zerstören. Es
findet sich jedoch eine deutliche Diskrepanz
in der T-Zell-Aktivierung und dem programmierten Zelltod, der Sekretion entzündlicher
Botenstoffe und dem Ausmaß der chronischen
Immunaktivierung. Eine wichtige Ursache der
Immunstimulierung ist dabei in der massiven
Zerstörung von Helferzellen in der Darmschleimhaut zu sehen (Brenchley et al., Nat
Med 2006), wodurch die Schleimhaut-Barriere
für Produkte von Darmbakterien durchlässig
wird. Dazu zählt vor allem das Lipopolysaccharid (LPS) von gramnegativen Bakterien, das
sich bei HIV-infizierten Personen vermehrt in
der Zirkulation nachweisen lässt und zu einer
starken Immunaktivierung führt. Dieses Phänomen kann bereits bei der HIV-Primärinfektion beobachtet werden.
Der Trigger am Abzug
Einer der stärksten stimulatorischen Botenstoffe im Immunsystem sind die Typ I-Interferone. Das »Interferon« wurde 1957 von Alick
Isaacs und Jean Lindenmann als Substanz entdeckt, die in Zellkultur das Angehen einer Infektion mit Grippeviren verhindern kann (also »interferiert«) (Isaacs und Lindenmann, Proc
R Soc Lond B Biol Sci 1957). In der Folge wurde klar, dass es nicht das Interferon, sondern
eine ganze Gruppe von Interferonen gibt. Darunter wurden die Typ I-Interferone (v.a. IFNalpha, IFN-beta) identifiziert, die starke antivirale, antiproliferative und immunmodulatorische Effekte haben. Es dauerte allerdings bis
1999, bis zwei unabhängige Arbeitsgruppen
die plasmazytoiden dendritischen Zellen (PDC)
als Hauptproduzenten dieser Interferone im
Blut identifizieren konnten (Cella et al., Nat
Med 1999; Siegal et al., Science 1999). Ihr Name lässt sich auf die Ähnlichkeit mit aktivierten B-Zellen (Plasmazellen) und mit dendritischen Zellen zurückführen. So haben PDC
neben einem nierenförmigen Kern ein ausge-
prägtes Zytoplasma (Abb. 1), was darauf hindeutet, dass sie syntheseaktive Zellen sind. Daneben weisen sie zarte dendritische Fortsätze
auf, die ihnen zumindest ansatzweise die Antigenpräsentation erlauben. PDC sind mit nur
0,2 – 0,5 % der mononukleären Zellen im Blut
eine seltene Zellpopulation, schütten jedoch
1000-fach mehr Typ I-Interferone als jede andere Zelle im Körper aus. Da sie als »Wächter
im Immunsystem« weitere Zellen in der Immunabwehr aktivieren, haben sie eine wichtige
Rolle in der Ersterkennung und Kontrolle bakterieller und viraler Infektionen.
Interferon-Induktion bei HIV-Infektion
– ein zweischneidiges Schwert
Hochtitriges HIV-1 und insbesondere HIV-1infizierte Zellen können eine robuste Produktion von Typ I-Interferonen auslösen (Übersicht in: Fitzgerald-Bocarsly und Jacobs, J
Leukoc Biol 2010). Dies hat – erwünschte –
günstige Effekte, weil die virale Vermehrung
zumindest teilweise gebremst wird und HIVinfizierte Zellen in den Zelltod getrieben werden. Die Arbeitsgruppe von Prof. Gene Shearer, NIH Bethesda, konnte jedoch zeigen, dass
die übermäßige Interferon-Produktion vor allem im Lymphgewebe zu negativen Effekten
führen kann (Herbeuval et al., PNAS 2005).
Dazu gehört der – unerwünschte – Zelltod
vieler nicht infizierter T-Zellen sowie die Hemmung der Funktion und Vermehrung von
T-Zellen in den Lymphknoten. In der Folge
kommt es zu einem Umbau der LymphknotenArchitektur, was für fortgeschrittene Stadien
der HIV-Infektion charakteristisch ist. Diese
Mechanismen konnten in gleicher Weise bei
pathogenen SIV-Infektionen bestätigt werden. Somit spielen PDC und die von ihnen
produzierten Typ I-Interferone in der Immunpathogenese der HIV-Infektion offensichtlich
eine zweischneidige Rolle (Abb. 2).
Abb. 1: Elektronenmikroskopische
Aufnahme von plasmazytoiden
dendritischen Zellen (PDC).
Die Zellen wurden aus dem Peripherblut eines gesunden Spenders
aufgereinigt und in Kooperation
mit Prof. Dr. Elke Bogner, Institut
für Virologie, Charité Berlin, für die
Elektronenmikroskopie aufbereitet.
Ein nierenförmiger Kern mit einem
durch reichlich rauhes endoplasmatisches Retikulum prominenten
Zytoplasma verleiht den Zellen ein
Plasmazell-ähnliches Aussehen.
Die zarten dendritischen Ausläufer
deuten auf ihre zumindest ansatzweise vorhandene Fähigkeit zur
Antigenpräsentation hin.
4
• PDC-Zahl
Peripherie
/ PDC-Funktion
• Reaktion auf bakterielle und virale Stimuli
• Beeinträchtigung der Funktion natürlicher
Killerzellen
• Apoptose nicht infizierter Zellen
• Induktion von Typ I-IFN durch
Kontakt von PDC mit HIV-infizierten Zellen
• Tumorfrequenz von IFN-empfindlichen
Malignomen
• Hemmung der Funktion und Vermehrung von T-Zellen
• Lymphknotenarchitektur
Lymphgewebe
Abb. 2: Interferon-Induktion bei HIV-Infektion. In der HIV-Infektion lässt sich eine gestörte Balance
der Produktion von Typ I-Interferonen beobachten. In der Peripherie kommt eher die mangelnde Reaktion plasmazytoider dendritischer Zellen (PDC) auf bakterielle und virale Stimuli zum Tragen, was die
Funktion von natürlichen Killerzellen weiter schwächt. Dagegen führt im Lymphgewebe die chronische
Immunaktivierung mit Überproduktion von Typ I-Interferonen (IFN) zum programmierten Zelltod vieler
nicht infizierter T-Zellen.
Mechanismus führt dazu, dass die »Wächterfunktion« der PDC im Blut nicht mehr ausreichend wahrgenommen werden kann – was
evtl. das Auftreten viraler Infektionen und
Virus-assoziierter Tumore begünstigt, die
prinzipiell auf die Gabe von Typ I-Interferonen
reagieren können. Dazu gehören die durch Papillomviren verursachten analen Karzinome,
deren Vorstufen auf die Gabe von Imiquimod
(Aldara®), einem Induktor von Typ I-Interferonen, ansprechen. Interessanterweise konnte in
der oben beschriebenen Studie nach Gabe von
Chloroquin eine Erhöhung der peripheren
PDC-Zahl beobachtet werden (Piconi et al.,
Blood 2011). Möglicherweise lässt sich durch
die Reduktion der chronischen Immunaktivierung daher auch die erhöhte Tumorfrequenz
positiv beeinflussen.
Zusammenfassung
Gefahr erkannt – Gefahr gebannt?
Der Mechanismus, wie HIV-1 bzw. HIV-infizierte Zellen die Induktion von Typ I-Interferonen triggern, ist noch nicht in allen
Schritten aufgeklärt. Die Daten mehrerer Arbeitsgruppen deuten jedoch darauf hin, dass
die Ansäuerung intrazellulärer Kompartimente, also der Endosomen, für diesen Prozess von
wesentlicher Bedeutung sind. So konnte die
HIV-bedingte Typ I-Interferon-Produktion in
Zellkultur durch Substanzen gehemmt werden, welche genau diesen Schritt inhibieren.
Dazu gehört das für die Malaria-Prophylaxe
zugelassene Medikament Chloroquin ebenso
wie weitere Substanzen (Ammoniumchlorid,
Bafilomycin, Chlorpromazin) (Schmidt et al.,
Virology 2005; Beignon et al., J Clin Invest
2005). Chloroquin hemmt die durch bakterielle oder virale Bestandteile (z.B. CpG-Moleküle, LPS) vermittelte Signalweiterleitung,
die zur Produktion von Entzündungsmediatoren führt. Außerdem konnte für Chloroquin
auch eine Reduktion der T-Zell-Aktivierung
gezeigt werden (Martinson et al., Antimicrob
Agents Chemother 2010). Chloroquin wird zur
Dämpfung der Immunstimulation bereits bei
einigen Autoimmunerkrankungen, z. B. der
rheumatoiden Arthritis, mit Erfolg eingesetzt.
Basierend auf diesen Ergebnissen stellte sich
die Frage, ob sich daraus nicht auch ein möglicher therapeutischer Ansatz zur Reduktion
der chronischen Immunaktivierung bei HIVInfektion entwickeln könnte. Dass sich mit
dieser Zielrichtung durchaus positive Effekte
erreichen lassen, zeigt der Einsatz von niedrig
dosiertem Prednisolon, das in frühen Studien
bei HIV-infizierten Patienten zur Stabilisierung der Helferzellzahl beitrug (Ulmer et al.,
Eur J Med Res 2005a; Ulmer et al., Eur J Med
Res 2005b). Der positive Effekt konnte bei
therapienaiven, aber auch bei unter antiretroviraler Medikation stehenden Patienten beobachtet werden.
Immunmodulation in vivo
Vor kurzem wurden die ersten Daten einer klinischen Studie veröffentlicht, in der bei insgesamt 20 HIV-infizierten Patienten, bei denen
es trotz suffizienter antiretroviraler Therapie
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nicht zu einer adäquaten Rekonstitution der
Helferzellen kam (= immunologische Non-Responder), zusätzlich Chloroquin für sechs Monate eingesetzt wurde (Piconi et al., Blood
2011). Bis auf einen Patienten, der nach 10 Tagen einen Hautausschlag entwickelte, wurde
die Therapie von allen Patienten gut vertragen. Dadurch konnten mehrere Laborparameter (siehe Tabelle) positiv beeinflusst werden:
Es reduzierte sich die Menge des im Plasma
zirkulierenden LPS, die Aktivierung von Helferzellen und Monozyten ebenso wie die Produktion entzündlicher Botenstoffe (z.B. Interleukin (IL)-6, TNF-alpha). Bemerkenswerterweise
stieg parallel bei den Patienten der Prozentsatz an zirkulierenden Helferzellen (nicht aber
die Absolutzellzahl) signifikant an, wodurch
erstmals der adjuvante immunmodulatorische
Effekt der Chloroquin-Therapie dokumentiert
werden konnte. Allerdings sollten diese sehr
vorläufigen Daten mit Vorsicht interpretiert
und in weiteren Studien mit einer größeren
Patientenzahl bestätigt werden.
Die Erkenntnis, dass die chronische Immunaktivierung einen wesentlichen Betrag zur HIVPathogenese leistet, hat die Tür für neue immunmodulatorische Therapien aufgestoßen.
Die Zukunft wird zeigen, ob sich damit eine
weitere Verbesserung der antiretroviralen
Therapie und der Lebensqualität HIV-infizierter Menschen erreichen lässt. Es werden weitere Anstrengungen in der Grundlagen- und
angewandten Forschung notwendig sein, um
das bereits Erreichte zu festigen.
• Ki67-Expression von CD4+-T-Zellen
PD Dr. med. Barbara Schmidt
Nationales Referenzzentrum für Retroviren
Institut für Klinische und Molekulare Virologie, Universitätsklinikum Erlangen
• CD38- und CD69-Expression von
[email protected]
Tabelle:
Laborparameter der Immunaktivierung
CD8+-T-Zellen
• CD69-Expression von Monozyten
• LPS-Spiegel im Plasma
• Spiegel von Entzündungsmediatoren
im Plasma (IL-6, TNF-alpha)
Langzeiteffekte?
Bei der HIV-Infektion lässt sich noch ein weiterer Effekt auf die PDC beobachten, nämlich
eine signifikant verringerte Zahl und Funktion dieser Zellen im Blut, was sich bei der
HIV-Erstinfektion und vor allem in fortgeschrittenen Stadien bemerkbar macht (Fitzgerald-Bocarsly und Jacobs, J Leucoc Biol 2010).
Dies hat möglicherweise etwas mit der Präaktivierung von PDC durch HIV-1 und zirkulierendes IFN-alpha zu tun (Tilton et al., J Virol
2008). Aktivierte PDC regulieren einen Oberflächenmarker hoch, der ihre Abwanderung
ins lymphatische Gewebe verstärkt. Dieser
Literaturhinweise
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KLINIK UND FORSCHUNG
Intrazelluläre Restriktionsfaktoren – mit alten und neuen Freunden
gegen Retroviren
Einleitung
Neben der adaptiven Immunantwort spielt die
angeborene oder native Immunität bei der Abwehr viraler Infektionen eine wichtige Rolle.
Der Abwehrmechanismus der nativen Immunität beruht im Wesentlichen auf der spezifischen Erkennung von Pathogen-assoziierten
molekularen Mustern, sogenannten PAMPs
(pathogen-associated molecular patterns),
durch Pathogenrezeptoren, oder PRRs (pattern recognition receptors). Erkennt ein PRR
ein solches »virales Muster«, z.B. virale RNA,
werden Signalkaskaden angestoßen, an deren
Ende unter anderem die verstärkte Expression
antiviraler Faktoren steht. Obwohl schneller als
die adaptive Immunantwort, muss auch die angeborene Immunität meist erst über PathogenRezeptor-Interaktionen induziert und durch
Signalkaskaden aktiviert werden, wodurch
wertvolle Zeit vergeht, in der das Virus Zellen
infizieren und sich im Wirt ausbreiten kann.
Um diese Lücke zu schließen, besitzen viele Zellen ein Arsenal verschiedener antiviraler Faktoren, welche konstitutiv exprimiert sind und deren Expression nicht zwingend, z.B. durch
Interferon, induziert werden muss. Um die sogenannten Restriktionsfaktoren, meist antiviral wirkende Proteine, von der konventionellen
angeborenen Immunantwort abzugrenzen,
werden diese unter dem Begriff »Intrinsische
Immunität« zusammengefasst.
Speziell Säugerzellen besitzen eine Reihe
von meist intrazellulären Restriktionsfaktoren,
welche gegen verschiedenste Viren aktiv sein
können. Der hohe Anteil von Sequenzen retroviralen Ursprungs im humanen Genom zeigt,
dass der Mensch im Laufe der Evolution konstant retroviralen Infektionen ausgesetzt und
gezwungen war, diese »genetischen Eindringlinge«, zumindest zu einem gewissen Grad,
kontrollieren zu können. In der Tat zeigen genetische Analysen, dass viele Restriktionsfakwww.virologie.uni-erlangen.de
toren während der Säugetierevolution unter
großem Selektionsdruck standen, vermutlich
auch um retroviralen Infektionen entgegenzuwirken. Das molekulare Wettrüsten zwischen zellulären Restriktionsfaktoren und Retroviren lässt sich besonders eindrucksvoll am
Beispiel von sogenannten akzessorischen Proteinen festmachen. Lentiviren, wie das humane Immundefizienzvirus (HIV-1), kodieren eigens für verschiedene »virale Werkzeuge«, um
einige dieser Restriktionsfaktoren zu neutralisieren. Im Folgenden soll nun ein kurzer
Überblick über die wichtigsten bisher bekann-
ten Restriktionsfaktoren mit antiretroviraler
Wirkung gegeben und ihr Einfluss auf die HIVInfektion erörtert werden (Abb. 1).
APOBEC3G
Das APOBEC3G-Protein (apolipoprotein B
mRNA-editing enzyme catalytic polypetidelike 3G) wurde 2002 als erster Restriktionsfaktor gegenüber HIV-1 beschrieben und gehört
zur Proteinfamilie der APOBEC-Cytidin-Deaminasen (Sheehy et al., Nature 2002). Das namensgebende APOBEC1-Protein editiert die
Abb. 1: Die zellulären Restriktionsfaktoren SAMHD1, TRIM5α, APOBEC3G und Tetherin inhibieren
die HIV-Infektion. SAMHD1, APOBEC3G (A3G) und Rhesus-TRIM5α hemmen die Infektion während
der reversen Transkription bzw. dem Auflösen des Kapsids. Tetherin/BST-2 dagegen verhindert die
Freisetzung neugebildeter viraler Partikel. Die viralen Proteine Vpx und Vif neutralisieren die Restriktionsfaktoren SAMHD1 und A3G, während das akzessorische Protein Vpu der antiviralen Aktivität
von Tetherin entgegenwirkt.
SAMHD1
A3G
TRIM5α
Tetherin
Vpu
Vpx
A3G
C U
Vif
G A
6
IFN
A3G
Ub
SAMHD1
Ub
TRIM5α
Vif
Vpx
NFKB
AP1
Antivirale Faktoren
IFNβ
Abb. 2: Vif und Vpx neutralisieren zelluläre Restriktionsfaktoren mit Hilfe
des Ubiquitin-Proteasom-Systems. Die retroviralen Proteine Vif bzw. Vpx
induzieren die Ubiquitinylierung (Ub) und den anschließenden proteasomalen Abbau der Restriktionsfaktoren APOBEC3G bzw. SAMHD1 durch
Bindung an einen Ubiquitin-Ligase-Komplex (grün).
mRNA des Lipidtransport-Proteins Apolipoprotein B. Durch die chemische Veränderung
(Deaminierung) einer Cytosin-Base zu Uracil
führt APOBEC1 zur Expression einer kürzeren
Form des Proteins mit unterschiedlicher Funktion. Für APOBEC3G (A3G) ist ebenfalls eine
solche Funktion beschrieben und A3G (wie
auch das verwandte Protein A3F) ist mittels
seiner Deaminase-Funktion in der Lage, die
HIV-Replikation zu inhibieren.
A3G wird während des Zusammenbaus
neuer Viren in einer infizierten Zelle in das
entstehende Viruspartikel verpackt. In der
nächsten, neu infizierten Zelle können nun
die verpackten A3G-Proteine während der reversen Transkription des viralen Genoms
Cytosin-Basen (C) auf dem neu entstehenden
DNA-Minusstrang zu Uracil (U) deaminieren.
Aufgrund dieser C U-Austausche im Minusstrang wird anschließend ein G A-hypermutierter DNA-Plusstrang synthetisiert.
Zum Abbruch der Infektion kann es nun auf
zwei unterschiedliche Arten kommen: zum
einen bauen DNA-Reparatur-Enzyme die
fälschlicherweise Uracil enthaltende virale
DNA ab, zum anderen – falls die virale DNA
diesem Abbau entkommt und ins Wirtsgenom
integriert – verhindert die G A-Hypermutation, dass von der viralen DNA funktionelle
Transkripte synthetisiert werden können. Ob
neben der Deaminierung noch andere Mechanismen zur HIV-Inhibition durch A3G beitragen können, wird derzeit kontrovers diskutiert. Unabhängig davon ist jedoch klar, dass
die Inhibition durch A3G extrem wirksam ist,
da HIV sich eigens das akzessorische Protein
Vif leistet, um diesen Block zu umgehen. In
infizierten Zellen bindet neu synthetisiertes
Vif gleichzeitig an A3G und an einen zellulären Ubiquitin-Ligase-Komplex (Abb. 2).
Das virale Protein Vif bringt A3G somit in räumliche Nähe zur Ubiquitin-Ligase und induziert so dessen Poly-Ubiquitinylierung. Dies
führt anschließend zum Abbau von A3G
durch das zelluläre Proteasom und somit zur
Neutralisation des antiviralen Blocks.
7
Abb. 3: Mögliche Rolle von TRIM5α als Pattern Recognition Receptor (PRR).
TRIM5α erkennt virale Kapsidstrukturen und induziert zelluläre Signalkaskaden, welche über die zellulären Transkriptionsfaktoren NFkB und AP-1
in der Expression von antiviralen Faktoren münden.
Tetherin/BST-2
Ein weiterer zellulärer Restriktionsfaktor, der
durch ein virales akzessorisches Protein inhibiert wird, ist Tetherin oder BST-2. Tetherin/
BST-2 wurde durch zwei unabhängige Forschergruppen als Restriktionsfaktor gegen
HIV-1 identifiziert (Neil et al., Nature 2008;
Van Damme et al., Cell Host Microbe 2008).
Tetherin inhibiert die späte Phase des Replikationszyklus. Es blockiert die Abschnürung
neugebildeter Virionen von der Zelloberfläche
und verhindert somit die Ausbreitung auf weitere nicht infizierte Zellen. Tetherin wird auf
der Zelloberfläche exprimiert und ist mit
beiden Enden in der Zellmembran verankert.
Neueste Arbeiten zeigen, dass sich TetherinDimere während der Infektion sowohl in der
Zellmembran als auch in der Membran der
neugebildeten Viren verankern und diese somit mechanisch an die Zelle binden. Obwohl
Tetherin in einigen Zelltypen konstitutiv exprimiert wird, kann die Expression in vielen
Zelltypen durch Interferon induziert werden.
Identifiziert wurde Tetherin in Zellen, in denen die Freisetzung von HI-Viren, denen das
akzessorische Protein Vpu fehlte, blockiert
war. Vpu ist ein weiteres akzessorisches Protein von HIV-1, von dem bereits bekannt war,
dass es zelluläre Oberflächenproteine herunterregulieren kann. Tetherin konnte nun als
weiterer Interaktionspartner von Vpu identifiziert werden. Vpu ist in der Lage, die Expression von Tetherin auf der Zelloberfläche
herunterzuregulieren und somit die Tetherinvermittelte Inhibition zu neutralisieren. Interessanterweise ist Tetherin nicht nur gegen
HIV-1 aktiv, sondern inhibiert auch die Freisetzung einer Vielzahl anderer umhüllter
Viren, wie z.B. HIV-2, SIV, HTLV, Marburg-,
Ebola- und Lassavirus. Der Tetherin-vermittelte Block scheint also ein allgemeiner zellulärer Abwehrmechanismus gegenüber viralen
Infektionen zu sein, welchen HIV-1 mittels des
akzessorischen Proteins Vpu neutralisiert.
Auch im Falle von Tetherin wird das molekulare Wettrüsten zwischen der zellulären Virus-
abwehr und den Retroviren deutlich. So konnte z.B. gezeigt werden, dass der Vorläufer von
HIV-1, das Affen-Immundefizienzvirus aus
Schimpansen (SIVcpz), Tetherin mittels seines
akzessorischen Proteins Nef herunterreguliert.
Da dies aufgrund eines veränderten TetherinProteins im Menschen nicht möglich ist, nutzt
HIV-1 im Menschen Vpu, um den humanen
Tetherin-Block zu inhibieren (Sauter et al., Cell
Host Microbe 2009).
TRIM5α – alter Faktor, neue Funktion?
Der Restriktionsfaktor TRIM5α ist Teil der
TRIM (tripartite motif )-Protein-Familie. Charakteristisch für TRIM-Proteine ist das aminoterminale TRIM-Motiv, das aus einer RINGFinger-Domäne, ein oder zwei B-Boxen und
einer coiled-coil-Domäne besteht. Der carboxy-terminale Teil jedoch ist für jedes Protein
unterschiedlich und enthält im Fall von
TRIM5α eine sogenannte SPRY-Domäne.
Beschrieben wurde eine restriktive Wirkung
erstmals für TRIM5α aus Rhesusaffen
(rhTRIM5α). In Gentransfer-Experimenten
konnte gezeigt werden, dass rhTRIM5α die
HIV-1-Infektion von Rhesusaffen-Zellen inhibiert, während das humane TRIM5α-Protein
nur schwach gegen HIV-1 aktiv ist (Stremlau
et al., Nature 2004). Humanes TRIM5α ist
jedoch in der Lage, die Infektion anderer
Retroviren, wie z. B. von MLV (Murines Leukämie Virus) oder EIAV (Virus der Infektiösen
Anämie der Pferde) zu blockieren. Diese Spezies-Spezifität der TRIM5α-Proteine hängt
von deren SPRY-Domäne ab, da TRIM5α über
diese mit den Kapsid-Proteinen der jeweiligen
Viren interagieren kann. Der Mechanismus
der TRIM5α-Inhibition ist noch nicht vollständig geklärt, jedoch binden wahrscheinlich TRIM5α-Multimere direkt an eindringende virale Kapside und führen so zu einem
verfrühten Auflösen des Kapsids, was die Infektion bereits in einem frühen Stadium
blockiert (zusammengefasst in Nisole et al.,
Nat Rev Microbiol 2005).
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Neueste Studien deuten darauf hin, dass
dieser initiale Block der Infektion nicht die
einzige antivirale Funktion von TRIM5α darstellt. So konnte gezeigt werden, dass TRIM5α
nach Erkennung von viralen Kapsidstrukturen
intrazelluläre Signalwege aktiviert und so
möglicherweise die Induktion von antiviralen
Proteinen induzieren kann (Pertel et al., Nature 2011). TRIM5α würde demnach auch eine
Funktion als PRR einnehmen und über die Erkennung von retroviralen Kapsiden zusätzlich
eine native Immunantwort gegenüber der retroviralen Infektion induzieren (Abb. 3).
schen Immunität in der Virusabwehr. Die Aufklärung der vielfältigen Mechanismen der Restriktion leistet zudem einen wichtigen Beitrag
zum Verständnis bisher ungeklärter Details der
retroviralen Infektion. Des Weiteren kann die
Erforschung zellulärer Restriktionsmechanismen dabei helfen, mögliche Achillesfersen der
HIV-Infektion aufzudecken. Die durch die zelluläre Abwehr aufgezeigten Schwachstellen
können dann genutzt werden, um neue, wirkungsvolle antiretrovirale Medikamente zu
entwickeln.
Impressum
Herausgeber: Virologisches Institut
Klinische und Molekulare Virologie
Universitätsklinikum Erlangen
Sprecher des NRZ: Prof. Bernhard Fleckenstein
SAMHD1 – ein »neuer« Restriktionsfaktor
Im Gegensatz zu HIV-1 kodieren das verwandte HIV-2 und einige SIVs für das akzessorische
Protein Vpx. Es ist seit längerem bekannt, dass
Vpx entscheidend zur Pathogenität und Virusausbreitung von SIV in Rhesusaffen beiträgt,
und dass Vpx für die SIV-Infektion von speziellen Immunzellen, Makrophagen und dendritischen Zellen essentiell ist. Darüber hinaus
war lange nichts zur Funktion von Vpx bekannt, bis gezeigt werden konnte, dass Vpx
überraschenderweise auch die HIV-1-Infektion dieser Zellen verstärken kann. Der durch
Vpx aufgehobene Block inhibiert die SIV- und
HIV-1-Infektion in diesen Zellen schon relativ
früh im viralen Replikationszyklus, nämlich
während der reversen Transkription des Genoms. Mehrere Arbeiten konnten zeigen, dass
hierfür die Interaktion von Vpx mit einem Ubiquitin-Ligase-Komplex wichtig ist. Daher
wurde vermutet, dass das Vpx, ähnlich wie Vif,
das zelluläre Ubiquitin-Proteasom-System
nutzt, um einen unbekannten antiviralen Faktor abzubauen und damit zu neutralisieren
(Abb. 2) (zusammengefasst in Gramberg et al.,
Curr HIV/AIDS Rep 2009).
Kürzlich wurde nun SAMHD1 als dieser
unbekannte Restriktionsfaktor identifiziert
(Hrecka et al., Nature 2011; Laguette et al.,
Nature 2011). Es konnte gezeigt werden, dass
SAMHD1 für den Block der SIV- und HIV-Infektion in Makrophagen und dendritischen
Zellen verantwortlich ist und durch Vpx dem
Abbau durch das Ubiquitin-ProteasomSystem zugeführt wird. Der Mechanismus, wie
SAMHD1 eindringende Viren erkennt und inhibiert, ist derzeit noch nicht aufgeklärt. Es
wird jedoch vermutet, dass SAMHD1 möglicherweise zum Abbau des viralen Genoms
(DNA oder RNA) beiträgt und so die Infektion
inhibieren kann. Ungeklärt ist außerdem, warum HIV-2 und SIV, aber nicht HIV-1 für ein
Protein zur Neutralisation der SAMHD1-vermittelten Restriktion kodieren. Makrophagen
stellen wichtige Zielzellen der HIV-Infektion in
vivo dar, was die spannende Frage aufwirft,
warum HIV-1 seine Zielzellen nicht effizienter
infiziert und für ein SAMHD1-neutralisierendes Protein kodiert.
Zusammenfassung
Die Tatsache, dass Lentiviren, wie HIV-1, für
akzessorische Proteine kodieren, deren Aufgabe es ist, spezifisch Restriktionsfaktoren zu
inhibieren, zeigt die Bedeutung der intrinsiwww.virologie.uni-erlangen.de
Stellv. Sprecher des NRZ: Dr. Klaus Korn
Koordinatorin des NRZ: Dr. Angela Nagel
Schlossgarten 4 · D-91 054 Erlangen
Tel.: 09 131 / 85 - 2 - 40 10
Fax: 09 131 / 85 - 2 - 21 01
E-mail: [email protected]
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Redaktion: Dr. Angela Nagel (V.i.S.d.P.)
Tel.: 09 131 / 852 57 90
E-mail: [email protected]
Prof. Dr. rer. nat. Thomas Gramberg
Nationales Referenzzentrum für Retroviren
Institut für Klinische und Molekulare Virologie, Universitätsklinikum Erlangen
Manuskriptbearbeitung:
Dr. Angela Nagel / Dr. Klaus Korn
Grafische Gestaltung:
Grafikstudio Hoffmann, Dresden
[email protected]
Druck: Druckhaus Haspel, Erlangen
Literaturhinweise
AUSBLICK
AUF DAS NÄCHSTE BULLETIN
Gramberg T, Sunseri N, Landau NR. Accessories
to the crime: recent advances in HIV accessory protein biology. Curr HIV/AIDS Rep 2009; 6: 36-42.
Hrecka K, Hao C, Gierszewska M, et al. Vpx relieves inhibition of HIV-1 infection of macrophages
mediated by the SAMHD1 protein. Nature 2011;
474: 658-61.
Laguette N, Sobhian B, Casartelli N, et al.
SAMHD1 is the dendritic- and myeloid-cell-specific HIV-1 restriction factor counteracted by Vpx.
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Neil SJ, Zang T, Bieniasz PD. Tetherin inhibits
retrovirus release and is antagonized by HIV-1 Vpu.
Nature 2008; 451: 425-30.
• HIV-1-Subtypen: Entwicklung im
Menschen
• Empfindlichkeiten um die HIVResistenz – wie schief ist die Lage?
DIE ARBEIT DES NATIONALEN
REFERENZZENTRUMS FÜR RETROVIREN WIRD
DURCH DAS ROBERT-KOCH-INSTITUT GEFÖRDERT.
Nisole S, Stoye JP, Saib A. TRIM family proteins:
retroviral restriction and antiviral defence. Nat Rev
Microbiol 2005; 3: 799-808.
Pertel T, Hausmann S, Morger D, et al. TRIM5 is
an innate immune sensor for the retrovirus capsid
lattice. Nature 2011; 472: 361-5.
WEITERHIN DANKEN WIR FOLGENDEN FIRMEN
FÜR IHRE FREUNDLICHE UNTERSTÜTZUNG:
Sauter D, Schindler M, Specht A, et al. Tetherindriven adaptation of Vpu and Nef function and the
evolution of pandemic and nonpandemic HIV-1
strains. Cell Host Microbe 2009; 6: 409-21.
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8