Abteilung Virologie

L ABORATORIUMSMEDIZIN
Abteilung Virologie
Direktor: Prof. Dr. Thomas F. Schulz
Forschungsprofil
Ein thematischer Schwerpunkt des Instituts stellen Mechanismen des Zelleintritts und der
Latenz großer DNA Viren (Herpesviren und Adenoviren) dar; daneben besteht ein Interesse
an der Familie der Enteroviren. Viren der Herpes- und Adenogruppe sind von besonderer
Bedeutung bei immunsupprimierten Individuen, einer an der MHH angesichts ihrer führenden
Rolle in der Transplantationsmedizin wichtigen Patientengruppe.
Das Institut verfügt zur Zeit über vier Arbeitsgruppen, geleitet von Prof. Dr. med. T.F.
Schulz (Kaposi Sarkoma Herpesvirus/humanes Herpesvirus 8), HD Dr. rer. nat. Beate Sodeik (Herpes Simplex Virus), PD Dr. med. Albert Heim (Adenoviren, Enteroviren), und (ab
1.1.2005) Prof. Dr. rer. nat. Martin Messerle (Cytomegalovirus).
Von den im Jahr 2004 am Institut tätigen drei Forschungsgruppen verfügen zwei über
substantielle begutachtete Drittmittel (DFG, DAAD, Land Niedersachsen, Wellcome Trust).
Wir sind beteiligt an einem an der MHH angesiedelten DFG Sonderforschungsbereich (SFB
566; ‚Zytokin-Rezeptoren und Zytokin-abhängige Signalwege als therapeutische Zielstrukturen’), und nehmen an zwei nationalen Schwerpunktprogrammen der DFG (‚Molekulare
Motoren’ und ‚Infektionen des Endothels’), dem DFG Graduiertenkolleg 745 (‚Mukosale
Erreger-Wirtsinteraktionen’) und dem vom Land Niedersachsen geförderten Graduiertenkolleg ‚Infektionsbiologie’ teil. Zwei Arbeitsgruppen der Abteilung sind am ‚Zentrum für
Infektionsbiologie’ beteiligt, welches gemeinsam von der MHH, der TiHo, der Universität
Hannover und der GBF in Braunschweig betrieben wird.
Das Institut verfügt über besondere Expertise im Bereich 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 vier Gruppenleiter
wird durch Herausgeberschaften internationaler Zeitschriften (J. General Virology, T.F. Schulz;
J. Med. Microbiology; A. Heim) sowie der Beteiligung bei der Organisation internationaler
Kongresse (AIDS Malignancy Conference, T.F. Schulz; EMBO workshop The Cell Biology of
Virus infections, B. Sodeik) dokumentiert. Martin Messerle erhielt 1999 den Löffler – Frosch
Preis der Gesellschaft für Virologie und 2004 den Robert-Koch Förderpreis für seine bahnbrechenden Entwicklungen auf dem Gebiet der reversen Genetik von Herpesviren.
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Forschungsprojekte
Disseminierte Adenovirusinfektionen: Molekulare Diagnostik und Pathogenese
Tödlich verlaufende Adenovirusinfektionen bei immunsupprimierten Patienten, z. B. allogenen Stammzellempfängern, Organtransplantierten und AIDS Patienten werden bereits seit
20 Jahren beschrieben, vielfach war aber die Diagnose unsicher oder nur post mortem zu
sichern. Im Jahr 2003 gelang uns durch die Entwicklung einer quantitativen PCR ein wichtiger
Fortschritt für die Diagnose und das Verständnis der molekularen Pathologie dieser Erkrankungen. Erstmals konnte gezeigt werden, dass es bei disseminierten Adenovirusinfektionen
zu extrem hohen Viruslasten im peripheren Blut kommt (bis zu 8 x 1011 Genomkopien /ml),
und dass ein schneller Anstieg der Viruslast in Bereiche über 106 Kopien/ml dem Krankheitsbild vorausgeht. Endstrecke der Erkrankung ist ein kaum noch zu beeinflussendes, schweres
sepsisartiges Krankheitsbild mit Symptomen wie ARDS und Kreislaufversagen unter dem Bild
eines septischen Schockes mit disseminierten intravasaler Koagulation. Die dabei gemessenen hohen Viruslasten lassen Schlüsse auf die Pathophysiologie dieser Erkankung zu, da ein
ähnliches Krankheitsbild bei einem tödlich verlaufenen Gentherapieversuch mit der Infusion
sehr großer Adenovirusvektormengen beobachtet worden ist. Da dieser Vektor nicht replikationskompetent war, kann man auf eine direkte toxische Wirkung der Adenoviruspartikel (für
das Kapsidprotein Penton wurde in vitro eine zelltoxische Wirkung gezeigt) oder auf eine
immunologische vermittelte Reaktion, z. B. durch Immunkomplexbildung aus Viruskapsiden
und präformierten Antikörpern, schließen. Dies schließt allerdings nicht aus, dass bei der
disseminierten Adenovirusinfektion bei Immunsuppression auch die cytopathischen Effekte
der massiven lytischen Adenovirusreplikation eines oder mehrere Organe direkt schädigen.
Genaue epidemiologische Daten zur Häufigkeit dieser Erkrankung bei Immunsupprimierten stehen noch aus, früher weil die Diagnose nur schwer zu stellen und unsicher war, heute
weil es noch keine systematische Untersuchungen zur Inzidenz und auch keine Meldepflicht
gibt. Zur Orientierung kann aber helfen, dass im Beobachtungszeitraum seit Einführung
der quantitativen Adenovirus PCR, also seit knapp 2 Jahren, sechs tödlich verlaufende Fälle
an der MHH sowie an einem weitern von uns diagnostisch mitbetreuten Universitätsklinikum beobachtet wurden, drei dieser Fälle betrafen Kinder. In zwei weiteren Fällen konnte
wahrscheinlich durch Reduktion der Immunsuppression und durch Therapieversuche mit
Virustatika ein Viruslastanstieg und schwerer Verlauf vermieden werden.
Im Gegensatz zu anderen Viren, die bei Immunsupprimierten schwere Krankheitsbilder
verursachen (z.B. humanes Cytomegalievirus) sind humane Adenoviren eine große Gruppe von Viren mit 6 Species mit 51 verschiedenen Typen, die untereinander genetisch und
immunologisch deutlich divergent sind. Ein nahe liegender Ansatz, Virulenzfaktoren für
die Entstehung einer disseminierte Infektion zu identifizieren, ist deshalb, die bei disseminierten Infektionen gefundenen Adenoviren zu typisieren und diese Adenovirustypen dann
phänotypisch und genetisch mit anderem Typen zu vergleichen, die keine (oder nur selten)
disseminierte Adenovirusinfektionen hervorrufen.
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Grundsätzlich ist die Typisierung von auf Zellkulturen isolierten Adenoviren schon seit
langem durch klassisch virologische Techniken wie die Neutralisation möglich. Dies hat
auch zur Erkenntnis geführt, dass humane Adenoviren der Species C (vor allem Typ 1, 2 und
5) bei disseminierten Infektionen häufig zu finden sind. Allerdings sind auch diese Typen
auf Zellkulturen besonders leicht anzuzüchten, im Gegensatz z B. zu den Adenoviren der
Species F. Es war also nicht auszuschließen, dass die Häufung von Species C Adenoviren
bei disseminierten Adenovirusinfektionen einfach auf ihrer leichten Nachweisbarkeit und
Typisierbarkeit beruhte.
Wir entwickelten deshalb ein molekulares Typisierungssystem für Adenoviren, das auch
ohne Virusisolation auf Zellkulturen, direkt ausgehend von der im Blut vorhandenen Virus
DNA eine eindeutige Typisierung ermöglicht. Durch diese Vorgehensweise sollte auch erreicht
Abb. 1: Phylogenetische Analyse der Loop 2
Sequenzen (e Determinante) aller 51 humaner
Adenoviren. Mit Ausnahme von Typ 15 und 29 der
Species D sind alle Viren durch Sequenzierung typisierbar. Typ 15 und 29 sind auch mit der klassischen
Neutralisationsmethode nicht zu unterscheiden und
ihre Definition als eigene Typen ist umstritten.
werden, dass bei einer Koinfektion mit verschiedenen Genotypen (z.B mit einem Typ 2 im
Respirationstrakt und einem Typ 40 im Gastrointestinaltrakt) genau der Typ identifiziert
wird, der für Virämie verantwortlich ist. Wichtig war bei der Entwicklung, dass durch die
molekulare Typisierung übereinstimmende Ergebnisse mit der klassischen Vorgehensweise
erzielt werden. Wir entschlossen uns deshalb zur Sequenzierung sämtlicher für die klassische
Typisierung verwendeten immunogenen Determinanten, der e Determinante auf dem Hexon
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Protein und der g Determinante auf dem Fiberprotein bei allen humanen Adenovirustypen.
Durch phylogentische Analyse der Sequenzdaten konnte gezeigt werden, dass eine präzise
Typisierung durch eine Sequenzierung des loops 1 oder des loops 2 der e Determinante
möglich ist, nicht aber durch eine Sequenzierung der g Determinante. Genaue Kriterien
für die Typisierung, aber auch für die Entdeckung eines neuen Adenovirus Typen, konnten
mit Hilfe der phylogenetischen Daten festgelegt werden. Letzteres ist keineswegs besonders
unwahrscheinlich, da in den achtziger Jahren bei AIDS Patienten mit terminaler Immundefizienz bereits einige neue Typen entdeckt werden konnten. Durch molekulare Typisierung
der von uns diagnostizierten Fälle von disseminierten Adenovirusinfektionen konnte das
bislang vermutete Vorherrschen von Viren der Species C (Typ 1, 2 und 5) bestätigt werden,
außerdem wurde ein Virus der Species A (Typ 31) nachgewiesen. Dies ist in Übereinstimmung mit Ergebnissen von Forschungsgruppen aus England und Frankreich die ebenfalls von
der Dissemination von Typ 31 Infektionen berichten. Zusammenfassend kann man deshalb
jetzt von einer Prädominanz von Species C und A Viren schließen, aus der Literatur gibt es
auch Hinweise auf gelegentliche Infektionen mit Species B und D Viren, allerdings mit meist
milder verlaufenden Erkrankungen, wohingegen Viren der Species F nie bei disseminierten
Infektionen beschrieben worden sind. Aus diesen Daten kann geschlossen werden, dass ein
Vergleich der genetischen und pathophysiologischen Eigenschaften von Species C, A (Typ 31)
und Species F (Typ 40, 41) Adenoviren einen Schlüssel zum Verständnis der disseminierten
Adenovirusinfektion birgt.
Interessanterweise ist für Adenoviren der Species C bekannt, dass diese nach einer meist
milden Erkrankung des oberen Respirationstraktes in Lymphozyten über einen langen Zeitraum (viele Monate bis mehrere Jahre) persistieren können, für Adenoviren der Species F
wurde eine Persistenz bisher noch nie beschrieben. Die Häufung von Species C Adenoviren
kann also darauf hindeuten, dass die disseminierten Adenovirusinfektion bei immunsupprimierten Patienten oft von persistierenden, asymptomatischen Infektionen ausgehen, ähnlich
den bei Herpesviren beobachteten Reaktivierungen. Dieser phänotypische Unterschied zwischen Adenoviren der Species C und der Species F in Bezug auf ihre Fähigkeit in vivo zu
persistieren kann auf unterschiedliche Möglichkeiten mit dem noch intakten Immunsystem
vor Beginn der Immunsuppression zu interagieren, zurückgeführt werden.
Mehrere der Species C Adenoviren sind bereits komplett sequenziert worden (Typ 2 und
5), ebenso ein Adenovirus der Species F (Typ 40) und ein Adenovirus der Species A (Typ 12,
leider nicht der Typ 31). Bei Sequenzvergleich von Species F mit Species C Adenoviren zeigt
sich, dass die Adenoviren der Species F im Bereich ihrer E3 und E4 Genregionen mehrere
Deletionen aufweisen. Dies betreffen das E3 12.5k und gp19K, sowie der E4 ORF1 Genprodukt.
Die Funktion des E3 gp19k ist gut bekannt, Inhibition der MHC-I vermittelten Antigenpräsentation, und kann für das Überleben von persistent infizierten Zellen sehr wichtig sein.
Allerdings haben auch Species A Viren wie der Typ 12, und von uns durch Sequenzierung
der E3 Region gezeigt auch der Typ 31 keine der gp19K Sequenz. Dies relativiert seine Bedeutung als Persistenz- und damit letztlich auch als Disseminationsmarker. Auch die E3 12.5k
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codierende Region, für die eine anti-apoptotische Funktion vermutet wird, die ebenfalls für
das Überleben persistent infizierten Zellen hilfreich sein könnte, ist sowohl in Species F, als
auch in Species A Adenoviren deletiert. Lediglich der ORF1 der E4 Region fehlt ausschließlich
bei Species F Adenoviren. Die Funktion dieses Proteins ist jedoch noch unklar, Hinweise,
dass es transformierende Eigenschaften hat konnten zwar für Adenovirus Typ 9 (Species D)
erhoben werden, allerdings nicht mit anderen Adenoviren bestätigt werden. Für Adenovirus
Typ 31 sind noch keine E4 Sequenzen verfügbar, so dass wir uns zur Zeit mit der Analyse
dieser Region beschäftigen, von der wir uns Hinweise auf die Persistenzeigenschaften und
damit auf das Risiko von disseminierten Infektionen erhoffen.
Projektverantwortlich: A.Heim
Weitere Forschungsprojekte
Die Funktion des latenten Membranproteins (TMP/K15) des Kaposi’s Sarkoma Herpesvirus
Projektleiter: Prof. T.F. Schulz (Dr. M. Brinkmann, L. Wang, I. Fischer); Förderung: DFG;
SFB 566
Die Funktion des latenten nukleären Antigens (‚LANA’) des Kaposi’s Sarkoma Herpesvirus und verwandter Rhadinoviren
Projektleiter: Prof. T.F. Schulz (A. Viejo-Borbolla, J. Sheldon, M. Ottinger); Förderung:
DFG
Die Infektion endothelialer Zellen mit dem humanen Herpesvirus 8 (KSHV/HHV8):
Mechanismen der Persistenz, Replikation und abnormaler Differenzierung
Projektleiter: Prof. T.F. Schulz (A. Bürger); Förderung: DFG; 2-2 im Rahmen des DFG
Schwerpunktprogramm SP 1130 ‚Infektionen des Endothels’
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
Risikofaktoren für die Übertragung von KSHV/HHV8 auf Kleinkinder im ländlichen
Südafrika
Projektleiter: Prof. T.F. Schulz (M. Dedicoat, K. Alkharsah); Förderung: Wellcome Trust,
London
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Die Rolle des Humanen Herpesvirus 8 in der Pathogenese der Primären Pulmonalen
Hypertonie
Projektleiter: C. Henke-Gendo; Förderung: Private Stiftung
Klonierung eines bakteriellen artifiziellen Chromosoms zur Analyse des intrazellulären
Transportes von HSV1.
Projektleiterin: HD Dr. rer. nat. Beate Sodeik (C.H. Nagel; M. Fathollahy); Förderung: DFGGraduiertenkolleg 745; Projekt B4; DFG Sod im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms
„Molekulare Motoren“;
Die Funktion der Myosin-Leichte-Kette-Kinase und des Myosin-II beim Zelleintritt von
HSV1
Projektleiterin: HD Dr. rer. nat. Beate Sodeik (K. Theusner; U. Prank); Förderung:Landesgraduiertenkolleg Infektionsbiologie
Die Funktion der potentiellen viralen Motorrezeptoren VP26 und US11 beim Zelleintritt
von HSV1
Projektleiterin: HD Dr. rer. nat. Beate Sodeik (K. Döhner; F. Büttner, J. Janus); Förderung:
DFG
Die Funktion des Tegumentproteins UL25 von HSV1.
Projektleiterin: HD Dr. rer. nat. Beate Sodeik (K. Rode); Förderung: Graduiertenförderung
des Landes Niedersachsen; DFG GK745
Biochemische Charakterisierung des Mikrotubuli-Transportes von HSV1-Kapsiden.
Projektleiterin: HD Dr. rer. nat. Beate Sodeik (A. Wolfstein; K. Radtke); Förderung: Sod
403/2-2 im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms „Molekulare Motoren“; Landesgraduiertenkolleg Infektionsbiologie
Resistenz klinischer Adenovirusisolate gegenüber Ribavirin
Projektleiter: PD Dr. med. A. Heim; (R. Stock); Förderung: ICN
Molekulare Typisierung von Species B, C und D Adenovirusisolaten durch Seqenzierung
derhypervariablen „Loops“ 1 und 2 des Hexons
Projektleiter: PD Dr. med. A. Heim, (I. Madisch)
Induktion von zellulären Genen nach Infektion mit Enteroviren
Projektleiter: PD Dr. med. A. Heim, (U. Eckhart)
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MHH Forschungsbericht 2004
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Entwicklung einer quantitativen real – time PCR für Enteroviren
Projektleiter: PD Dr. med. A. Heim, (U. Dierßen)
Nachweis von hepatotropen Viren in Leberbiopsien von Kindern mit Gallengangatresie
Projektleiter: Dr. W. Verhagen, (M. Krasmann, Prof. Dr. C. Petersen)
Untersuchungen zur virologischen Pathogenese und zur standardisierten Diagnostik
von EBV-assozierten lymphoproliferativen Erkrankungen nach Organtransplantationen
im Kindesalter im Rahmen des PED-PTLD Netzwerkes
Projektleitung des virologischen Teils: Dr. C. Henke-Gendo; Forschungsmittel: Salubritas
Stiftung
Molekulare Typisierung von klinischen Herpes simplex-Virusisolaten
Projektleiterin: Dr. med. I. Engelmann
Originalpublikationen
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Herpesvirus (Human Herpesvirus 8) in:
Zuckerman AJ, Banatvala JE, Pattison JR,
Griffiths PD, Schoub BD, editors. Principles &
Practice of Clinical Virology, 5th ed. London,
Wiley & Sons 2004; p. 169 – 198.
Abstracts
2004 wurden insgesamt 20 Abstracts publiziert.
Promotionen
Melanie Brinkmann (Dr. rer. nat.): Functional properties of proteins encoded by the K15
gene of the Kaposi’s sarcoma – associated
herpesvirus (KSHV)
Wissenschaftspreise
Dr. rer. nat. Melanie Brinkmann: Promotionspreis der MHH
Weitere Tätigkeiten in der Forschung
T.F. Schulz: Mitglied der Senatskommission
der DFG für Angelegenheiten der Sonderforschungsbereiche; Fachgutachter der DFG
im Einzelverfahren und bei SFB’s; Gutachter
der Bayerischen Forschungsstiftung; Gutachtertätigkeit für den Leukemia Research
Fund, UK; Gutachtertätigkeit beim Medical
Research Council, UK
B. Sodeik: - Leitung des EMBO-Workshops
The Cell Biology of Viral Infection; - Leitung
des Arbeitskreises Zellbiologie in der Gesellschaft für Virologie; - Gutachterin für J Virol,
J Gen Virol, J Cell Biol, J Cell Sci
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