Sie sind hier: Startseite / Newsroom / Jahresberichte / 2012 / Biologie von Viren

Biologie von Viren

Eintrittspforten, Vermehrung, Wirt-Virus-Interaktion

Wie erobern Viren menschliche Zellen? Wie vermehren sie sich? Und wie überlisten sie das Immunsystem ihres Wirts? Die Antworten auf diese Fragen legen die Grundlage dafür, um antivirale Wirkstoffe oder neue Impfstoffe entwickeln zu können. Am Institut für Virologie und Zellbiologie der Universität zu Lübeck ergründen Professor Norbert Tautz und Professor Stefan Taube die Strategien von Vertretern der Flaviridae-Familie und Noroviren. Beide Virusfamilien spielen eine wichtige Rolle bei chronischen Entzündungen an Grenzflächen in der Leber oder im Darm und bieten molekulare Werkzeuge, um zu untersuchen wie Virus-assozierte Entündungen entstehen und wie diese verhindert oder therapiert werden können.

Um die Zellbiologie von Virusinfektionen zu erforschen, nutzt Norbert Tautz unter anderem das mit Custer-Mitteln finanzierte Spezial-Mikroskop für „Lebendzell-Imaging“ sowie die Expertise von Cluster-Professor Rainer Duden am Lübecker Institut für Biologie, der das Gerät aufgebaut hat und am Laufen hält. „Wir können damit dynamische Prozesse in der lebenden Zelle analysieren“, erklärt Tautz, der das Institut für Virologie und Zellbiologie an der Universität zu Lübeck leitet. Im Zentrum seiner Forschung stehen Viren aus der Familie der Flaviviridae, wie das Hepatitis C Virus, echte Flaviviren, zu denen die Erreger von Dengue- oder Gelbfieber gehören, sowie die tierpathogenen Pestiviren, die Schweinepest oder bovine virale Diarrhoe auslösen. Tautz: „Wir studieren die Regulation der Replikation von diesen Viren. Diese Regulation läuft immer in einer intensiven Interaktion mit der Wirtszelle ab. Uns interessieren die genauen Mechanismen dieser Interaktion.“

Replikation von Viren

Die tierpathogenen Viren dienen dem Forscher dabei als Modellsysteme für die in Gewebekulturzellen bisher nicht gut vermehrbaren, humanmedizinisch sehr bedeutenden Hepatitis C Viren. Denn die Pestiviren sind die nächsten Verwandten von HCV und diesen sehr ähnlich, zum Beispiel hinsichtlich der viralen Replikation, biochemischen Charakteristika und Funktionen von Proteinen. „Dieser Vergleich zwischen HCV und den veterinärmedizinisch relevanten und nah verwandten Pestiviren interessiert mich sehr. Ich möchte verstehen, wie in dem einen und dem anderen Fall die Replikation gesteuert wird.“

Bereits gut untersucht hat er die bovine virale Diarrhoe Viren (BVDV). Diese Erreger infizieren Rinder und sind in der Lage bei Föten eine Immuntoleranz zu induzieren. „Diese Immuntoleranz erlaubt es dem Virus sich lebenslang in dem Kalb, das dann geboren wird, zu vermehren.“ Die Persistenz des Erregers ist ein Grund, warum das Virus für die Forschung so interessant ist. Und sie ist auch der Grund für die wirtschaftliche Relevanz dieser Viren. BVDV gilt als das wirtschaftlich relevanteste Virus beim Rind. Laut Tautz sind weltweit ein bis zwei Prozent der Rinder persistent mit BVDV infiziert. Daraus ergeben sich massive Schwierigkeiten in der Nachzucht. „Und wenn es keine Kälber gibt, gibt es auch keine Milch. Somit verursacht das Virus große Probleme für die Milchwirtschaft und die Kälberproduktion.“

Norbert Tautz

Norbert Tautz
leitet das Institut für Virologie und Zellbiologie an der Universität zu Lübeck. In der Forschung konzentriert er sich auf die Regulation der Replikation von Mitgliedern der Familie Flaviviridae (u.a. BVDV, HCV) sowie deren Interaktion mit der Wirtszelle.

Angriff aufs Immunsystem

Die Arbeitsgruppe von Tautz untersucht diese Persistenzmechanismen. Um zu überleben und sich zu vermehren greife das Virus sowohl das erworbene als auch das angeborene Immunsystem an. Beispielsweise gibt es „Antihost“-Proteine, die bestimmte Faktoren des angeborenen Immunsystems des Wirts ausschalten, erklärt Tautz. „Gleichzeitig lassen die Viren dem Wirt noch genug Abwehrkräfte, damit er nicht jeder anderen Infektion anheimfällt und stirbt. Das wäre ja für die weitere Virus-Verbreitung schlecht.“

Genaustausch zwischen Virus und Wirt

Interessant sind die Pestiviren auch, so Tautz, „weil in den persistent infizierten Tieren RNA-Rekombinationen ablaufen.“ Bis zur Forschung mit den Pestiviren sei nicht bekannt gewesen, dass sämtliche zellulären mRNAs (messenger oder Boten-RNA) in die viralen Genome eingebaut werden können. „Und das ist genau das, was hier beobachtet wurde. Es findet ein ständiger Genaustausch zwischen dem mRNA-Pool der Zelle und dem viralen RNA-Genom statt. Das heißt die zellulären Gene werden in das virale Genom aufgenommen.“ Dies führe zwar in den allermeisten Fällen zu einem defekten Virus, aber eben manchmal auch zur Generierung von Virusvarianten, die zum Tod der persistent infizierten Kuh führen. In den in diesen Tieren gefundenen Viren wurden mRNAFragmente des Wirts nachgewiesen, was belegt, dass es diesen Austausch wirklich gibt und die Viren praktisch Zugriff auf den kompletten Genpool des Wirts haben (Becher, P., and N. Tautz. RNA recombination in pestiviruses: Cellular RNA sequences in viral genomes highlight the role of host factors for viral persistence and lethal disease. RNA Biol 2011; 8:216-24). Das gelte nicht nur für BVDV, sondern auch für andere Viren mit RNA-Genomen und somit wohl auch für HCV. Da sei es aber noch nicht nachgewiesen worden, da in diesem System solche Virusvarianten wohl nicht zum Tod des Patienten führen. Wofür dieser genetische Austausch dann verwendet wird, ist nicht von vornherein offensichtlich. „Das muss man langfristig betrachten. Ein eingebautes Gen wird behalten, wenn es langfristig Vorteile hat. Es wird aber im Lauf der Zeit so verändert, dass man irgendwann den Ursprung nicht mehr so leicht erkennen kann“, erklärt der Virologe.

Im Mittelpunkt der HCV-Forschung steht die von dem Virus kodierte Protease NS2. Diese sei essenziell für die Vermehrung des Virus. „Wir vergleichen die Funktion dieser viralen Protease bei Hepatitis C und BVDV und inwiefern sie die Replikation der Viren reguliert.“ Diese Proteasen seien auch potenzielle Drug-Targets, also potenzielle Zielstrukturen für neue Therapie.

Stefan Taube
leitet die Arbeitsgruppe Strukturelle und Molekulare Virologe am Institut für Virologie und Zellbiologie an der Universität zu Lübeck. Seine Forschungsschwerpunkte sind Virus-Wirt-Interaktionen, Strukturanalysen und biologische Systeme.

Stefan Taube

Noroviren bei Maus und Mensch

 Die Expertise zu Noroviren brachte Professor Stefan Taube ins Institut für Virologie und Zellbiologie. Der Biologe kam im Oktober 2012 von der Universität Michigan, USA, nach Lübeck, und hat sich auf die Forschung mit murinen und humanen Noroviren spezialisiert. Humane Noroviren sind weltweit verbreitet und verantwortlich für einen Großteil der akuten viralen Gastroenteritis-Erkrankungen bei Kindern und Erwachsenen. Die Übertragung humaner  Noroviren erfolgt direkt von Mensch zu Mensch oder über kontaminierte Lebensmittel.  So erkrankten während eines einzigen Ausbruchs 2012 in Deutschland über 11.000 Menschen, vorwiegend Kinder und Jugendliche, an Brechdurchfall, ausgelöst durch eine Norovirus- Kontamination von Tiefkühl-Erdbeeren. „Die Therapie bei Norovirus-Patienten beschränkt sich bisher auf den Ausgleich des Flüssigkeitsverlustes durch Gabe von Elektrolyten. An Impfstoffen oder eine antiviralen Therapien wird geforscht, aber es ist noch ein langer Weg dahin. Das wichtigste ist immernoch eine gute Hygiene, um die Übertragung zu verhindern. Hierbei ist darauf zu achten Desinfektionsmittel zu verwenden die auch wirksam gegen Noroviren sind, da insbesondere alkoholbasierte Infektionsmittel oft nicht ausreichend schützen. Im zweifelsfalle am besten mit Wasser und Seife gründlich schrubben.“, erklärt Taube, der eine Professor für Strukturelle und Molekulare Virologe an der Lübecker Universität inne hat. Seine Arbeitsgruppe erforscht speziell die Virus-Wirt-Interaktionen und die Pathogenese der Erkrankung. Konkret möchte Taube herausfinden, wie das Virus in die Zelle gelangt und warum nicht jedes Norovirus krank macht.

Problematisch für die Forschung ist die Tatsache, dass sich humane Noroviren bisher nicht kultivieren lassen. Das heißt, es gibt kein Zellkultursystem für humane Noroviren. Dies ist aber erforderlich, wenn man das Virus studieren oder antivirale Wirkstoffe testen möchte. „Daher wissen wir noch relativ wenig über die Biologe des Magen-Darm-Virus“, erklärt Taube. Besser studieren ließen sich die murinen Noroviren. „Dafür haben wir ein Zellkultursystem, ein Tiermodell und ganz viele molekulare Tools, die wir anwenden können, um dieses Virus zu verändern und zu untersuchen.“ Da humane und murine Noroviren sehr ähnlich seien, könne man beide vergleichen.

 Eintrittspforte für Noroviren

Bereits bekannt ist, dass bei humanen Noroviren die Bindung an Zuckern auf der Zelloberfläche eine sehr große Rolle spielt. „Damit ein Organismus mit Noroviren infiziert werden kann, müssen die Viren an Zellen binden und das tun sie über Zuckerketten an der Zelloberfläche.“ Interessant daran ist, so Taube, „das hierbei die gleichen Zuckerketten verwendet werden, die wir als Blutgruppenantigene kennen und unsere Blutgruppe bestimmen, also A, B, und O.“ Diese befinden sich nicht nur auf unseren roten Blutkörperchen, sondern auch auf vielen andreren Epithelzellen und die sind quasi die Eintrittspforte für Noroviren.“ Aber nicht alle Zucker seien geeignet. Das bedeutet, dass Personen mit den „falschen“ Zuckern auf der Oberfläche von Epithelzellen nicht infiziert werden können. „Menschen mit bestimmten Blutgruppen sind daher gegen bestimmte Norovirusstämme resistent“, so Taube. Diese Zuckerbindung ist auch ein Ansatzpunkt für antivirale Wirkstoffe. Die Arbeitsgruppe unter Leitung von Professor Thomas Peters am Institut für Chemie der Universität zu Lübeck untersucht diese Bindung. Taube: „Sie haben einen Wirkstoff hergestellt, der genau diese zuckerbindende Tasche von humanen Noroviren blockiert und damit die Bindung an die Epithelzelle unterbinden würde. Das Problem ist, es gab bisher kein Tier- oder Zellkulturmodell, mit dem sie testen konnten, ob der Wirkstoff auch im Organismus vor einer Infektion schützt.“

Erstes Mausmodell für humane Noroviren

Mittlerweile ist man einen Schritt weiter. In Zusammenarbeit mit einer Arbeitsgruppe vom Robert-Koch-Institut in Berlin hat Taube während seiner Postdoc-Zeit im Labor von Professor Christiane Wobus an der Universität Michigan ein Mausmodell entwickelt, mit dem erstmals grundlegende Mechanismen der Norovirus-Infektion untersucht und neue antivirale Wirkstoffe entwickelt und getestet werden können. „Wir haben jetzt zumindest ein System, womit wir das Virus im Tiermodell vermehren können. Und das ist ein enormer Fortschritt.“ Der nächste Schritt sei, weitere antivirale Wirkstoffe zu entwickeln und zu testen sowie weitere Modellsysteme zu etablieren. Wir haben gelernt, so Taube, „dass dendritische Zellen in der Leber bei humanen Noroviren eine wichtige Rolle spielen. Die große Hoffnung ist jetzt, darauf aufbauend ein Zellkultursystem zu bauen.“

Noroviren und Darmentzündung

Bei Mäusen lässt sich ein Krankheitsbild erzeugen, ähnlich dem der chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) bei Menschen. Dazu müssen verschiedene Faktoren zusammenkommen: eine genetische Prädisposition, eine Reitzung oder Verletzung im Darm und eine Norovirus-Infektion. „Wenn alle drei Faktoren zusammenkommen, dann kann das ein Startpunkt für CED sein. Und das Ganze ist zusätzlich noch abhängig von der Darmflora“, erklärt Professor Stefan Taube vom Institut für Virologie und Zellbiologie der Universität zu Lübeck. Tatsächlich seien viele Labormäuse persistent mit murinen Noroviren infiziert. Diese Infektion sei mitunter nicht bekannt. Daher müsse man sich bei vielen Untersuchungen, die man mit der Maus gemacht habe, fragen, ob nicht versteckte Infektionen, wie etwa die mit Noroviren, einen Einfluss gehabt haben könnten. Taube: „Bei dem CEDPhänotyp der Maus ist die Norovirusinfektion ausschlaggebend, „Mäuse, die zwar eine genetische Prädisposition für CED haben, aber nicht infiziert sind, entwickeln keinen CED-Phänotyp.“

Artikelaktionen