Latenz, Persistenz und Reaktivierung

Molekularbiologie IV: VirologieLatenz, Persistenz undReaktivierungRalf BartenschlagerAbteilung Molekulare Virologie, Hygiene InstitutINF 345, 1.OGhttp://molecular-virology.uni-hd.de

Latenz, Persistenz und ReaktivierungVirale Mechanismen, die die Viruselimination verhindernAkute InfektionPersistente InfektionViruseliminationlang andauernde Infektionohne/späte Viruseliminationpersistentlatentnachweisbare Virusreplikationzu (jedem) ZeitpunktPhasen ohne nachweisbareVirusreplikationReaktivierung der Replikation

Verlaufsformen viraler InfektionenAkute InfektionInfluenzaVirusproduktionPersistente InfektionLCMV, HCVLatente Infektionmit ReaktivierungenHerpesviren (HSV)Slow virus InfektionHIV, Masern (SSPE)ZeitFlint et al., 2nd edition, 2004

Humanpathogene Viren, die persistente Infektionen verursachen könnenFlint et al., 2nd edition, 2004

Verlauf einer akuten Infektion:Welche Barrieren müssen Viren überwinden, um Persistenz zu etablieren?ErworbeneImmunitätAngeboreneImmunitätFlint et al., 2nd edition, 2004

Strategien der Immunevasion (1)Induktion immunologischer Toleranzam Bsp. des Hepatitis B Virusby courtesy of Hanswalter ZentgrafInfektion Erwachsenerperinatale Transmission5-10% Persistente Inf.> 90% Persistente Inf.

Strategien der Immunevasion (2)Infektion von Organen/Zellen mit geringer immunologischer KontrolleGehirn/ZNSBlut-Hirn Schranke (Ausschluß von z.B. Komplement)keine/geringe MHC-I ExpressionGewebe, das in direktem Kontakt mit der Umwelt (Haut)

Virale Persistenz am Beispiel von HPVAntigenImmunÜberwachungFields et al., 4th edition, 2001

Verlauf einer akuten Infektion:Welche Barrieren müssen Viren überwinden, um Persistenz zu etablieren?InterferoneKomplementNK-ZellenFlint et al., 2nd edition, 2004

Angeborene Immunität• Die einzige immunologische Abwehr, die sofort verfügbar nach Virusinfektion• Unterscheidet zwischen der Art des Eindringlings (Toll-like receptros)• Wichtig für Induktion der ‚erworbenen Immunität‘‚KomplementsystemSerumkomponenten, die Bakterien und Viren inaktivierenSentinel cells‘Dendritische Zellen und MakrophagenNatural Killer Cellszytolytische Zellen, die ohne T-Zellrezeptor lysierenZytokineBeeinflussung der Entzündungsreaktion (TNF, IL-10)Induktion eines antiviralen Status (Interferone)

Interferone1957 Issacs und Lindemann: Entdeckung von TypI IFNinaktiviertesInfluenzaVirusKulturüberstandInfluenzaViruskeineVirusvermehrungHühnerzellenHühnerzellen2 Klassen: Typ I (IFN-alpha und beta); Leukozyten, FibroblastenTyp II (IFN-gamma = Immuninterferon); T-Zellen, NK-ZellenInduktion:Typ I durch Virusinfektion, ds RNATyp II durch Antigene, andere ZytokineEffekt:Induktion von Genen => antiviraler Status der Zellenicht spezifisch für Virus

Induktion der Interferone und antiviraler StatusvirusdsRNARIG-I / MDA-5dsRNA receptorIPS-1 (MAVS)adapterTBK-1 / IKKεkinaseIRF-3 -3transcription factorIFN-βInduktionsphaseHaller, Kochs und Weber, Virology 2005

Induktion der Interferone und antiviraler StatusvirusIFN-βIFNARIFN-α/βdsRNAdsRNAJAK-1 / TYK-2dsRNAPKRRIG-I / MDA-5TLR3MxISG20TRAFIPS-1 (MAVS)TRIFSTAT-1 -2OASPKRIRF-7 -3IKKα/βTBK-1 / IKKεIFN-βIRF-9NF-κBIRF-3 -3ISGF-3IFN-αIFN-βIFN-βISREISGInduktionsphaseEffektorphaseHaller, Kochs und Weber, Virology 2005

Virale Antagonisten des InterferonsystemsvirusIFNARdsRNAdsRNAJAK-1 / TYK-2PKRRIG-I / MDA-5TLR3TRAFXCardif*XTRIFIFN-βSTAT-1 -2IKKα/βTBK-1 / IKKεHCV ProteaseIRF-9NF-κBIRF-3 -3ISGF-3IFN-αIFN-βIFN-βISREISG*Cardif (MAVS, Ips-1, VISA)

IFN-α induzierter antiviraler Status und virale GegenwehrIFN-βIFNARJAK-1 / TYK-2PhosphorylierungHemmung der Stat Phosphorylierung(Sendai, Parainfluenza, HSV, Dengue Virus)STAT-1 -2IRF-9Stat Degradation(Parainfluenza, Simian Virus 5, Dengue Virus)ISGF-3ISREISGHemmung der Di-/Trimerisierung(Adenovirus)Stat = signal transducer andactivator of transcriptionTyk = tyrosine kinaseJAK = janus kinaseISGF-3 = Interferon stimulatedregulatory element

TypI Interferon-induzierter antiviraler StatusIFN induces> 100 genesPKR2’-5’ OligoA synthetaseMx proteinsADARds RNAds RNAPKR-P iOligo-AeIF2αATPeIF2α-P iactivatesRNaseLGTPGDP + P iRNA editingA GTranslationreductionSignaltransduction(apoptosis)RNA degradationInhibitionof viral transcription a.o.mutations

Modell der PKR-AktivierungFlint et al., 2nd edition, 2004

Konsequenz der eIF2α Phosphorylierung2B:2α = 1:2 - 1:10Flint et al., 2nd edition, 2004

Virale PKR-Antagonisten• Bindung von ds RNA: Vaccinia E3L; Influenza NS1• Nicht-aktivierende RNAs: Adeno VA RNA; EBV EBER-RNA• Hemmung der Dimerisierung: HCV NS5A• Aktivierung des PKR-Inhibitors: Influenza, Polio• Pseudosubstrat: HCV E2; Vaccinia K3L; HIV TatFlint et al., 2nd edition, 2004

Virale Antagonisten des InterferonsystemsIFNeffectorsdsRNAVIRUSreplicationMxOASPKRIRF-9NS5A, E2 (HCV)EBER (EBV), VA (AdV)K3L (VV)IFNE1A (AdV)STAT-1/-2E1A (AdV)V, C, N (Paramyxo)NS4B (DHFV, WNV, YFV)NS1 (FLUAV, FLUBV)E3L (VV)RIG-IMDA-5V (Paramyxo)pathwaysignalingVP35 (EBOV)NS3/4A (HCV)IPS-1(MAVS)NSs (RVFV), HSV-1P (RV, BDV)core (HCV)SOCSV, W (Nipah)NS1/NS2 (RSV)E6 (HPV18)TBK-1IKK-εJAKTYK-2JEV, WNVViroceptorsB18, B8 (VV)vIRF, ORF45 (HHV8)leader (TMEV)N pro (CSFV)ML (THOV)IFN-α/βNSs(RVFV)NSs(BUNV)E6 (HPV16)3C Pro (PV)M (VSV)BZLF-1 (EBV)IRF-3IRF-7viralinhibitorsinductionpathwayIFNtranscriptionTFIIH/DRNAPIIbasicHaller, Kochs und Weber, Virology 2005

Verlauf einer akuten InfektionT-ZellantwortB-ZellantwortFlint et al., 2nd edition, 2004

Antigenprozessierung und –präsentation auf MHC-Ivirales Proteinsynthetisiert in infizierter ZelleFlint et al., 2nd edition, 2004

Hemmung der Antigenpräsentation durch virale ProteineFlint et al., 2nd edition, 2004

Hemmung der AntigenpräsentationFlint et al., 2nd edition, 2004

Antigene Variation und Immunescape VariantenMutationen in B-ZellepitopenVerlust der neutralisierenden Wirkung von AntikörpernMutationen in T-ZellepitopenVerlust der zytotoxischen Zellyse (CD8 T-Zellen)Induktion einer T-Zell Anergie (Erkennung ‚ähnlicher‘ Peptide)

Extrembeispiel einer persistenten Infektion: HIVInfektion und Zerstörung immunologischer RegulatorzellenFlint et al., 2nd edition, 2004

Extrembeispiel einer persistenten Infektion: HIVFlint et al., 2nd edition, 2004

Latente Infektionen als Extrembeispiele der PersistenzEigenschaften latenter Infektionen:• Persistenz des viralen Genomsnicht-replizierendes Minichromosom in ruhenden Zellen (HSV)autonom replizierendes Virusgenom in sich teilenden Zellen (EBV)integriert in Wirtsgenom (AAV)• Gekoppelte Vermehrung Virus- und Wirtszell-DNA• Keine/sehr wenige Genprodukte exprimiert• Keine Viruselimination

Fields et al., 4th edition, 2001Verlauf der HSV-Infektion

Lytische Replikation des Herpes Simplex VirusFlint et al., 2nd edition, 2004

Latente Infektion des Herpes Simplex VirusFlint et al., 2nd edition, 2004

Latente Infektion des Herpes Simplex Virus• In Latenz nur LAT-RNAs reproduzierbar nachzuweisen• Deletion des ‚LAT-Lokus‘: Geringere Frequenz der Latenz (seltener)• Hypothese: Latenzetablierung wenn keine ausreichende Aktivierung der Expressionder α-Gene oder Repressor der α-Genexpression vorhanden• 10 - 1.000 Virusgenome pro latent infiziertes Neuronweniger als 10% der Neurone eines Ganglions infiziert• Reaktivierung durch verschiedene Stimuli (Stress, Hormone, UV-Strahlung u.a.)Kaskade der α−, β−, γ−Geneje höher die Kopienzahl der Virus-DNA, desto wahrscheinlicher Reaktivierungunklar, ob Neuron abstirbt

Fields et al., 4th edition, 2001LAT Transkriptionskarte von HSV-1

HSV-1 LAT RNA kodiert miRNA mit antiapoptotischer WirkungTGF-βSMAD-3Gupta et al., Nature, 2006

Produktive Infektion, Latenz und Reaktivierung bei HSVFlint et al., 2nd edition, 2004

Epstein-Barr Virus• Herpesvirus mit hoher Prävalenz (90% der Weltbevölkerung)• konsistent mit best. Krebsformen assoziiert (Nebenprodukt der Latenz)• zwei unterschiedliche Replikationsprogramme, je nach Wirtszelle

Latente Infektion durch das Epstein-Barr Virus• produktive (lytische) Replikation in Epithelzellen• latente Infektion in B-Zellen (geringe Virusproduktion; Immortalisierung)VirusreservoirLatenzFlint et al., 2nd edition, 2004

Epstein-Barr-Virus - Latenz• virales Episom, repliziert von oriP• mind. 10 Genprodukte für DNA-Replikation, Immunevasion, Immortalisierung6 davon im Nukleus, 3 in Membran; 1 RNA (EBER)Flint et al., 2nd edition, 2004

Genprodukte der EBV-LatenzEBNA-1:Replikation von oriPEBNA-1 Bindungsstellen in oriPDS, dyad-SymmetrieFR, family of repeatsFlint et al., 2nd edition, 2004

Genprodukte der EBV-LatenzEBNA-2:EBNA-LP:Spezifischer Transaktivator zellulärer und viraler Geneu.a. ENBAs, LMP-1, CD21 (EBV-Rezeptor), CD23 (IgE-Rezeptor)Kooperation mit EBNA-2; Induktion von Cyclin D2EBNA-3A, -3C: ???LMP-1:LMP-2:EBER-RNAs:Änderung von B-Zellwachstum und -physiologie;Apoptosehemmung (Bcl-2)Hemmung der B-Zellaktivierung; Hemmung Übergang in lyt. Repl.hohe Produktion in latenten B-Zellen; nukleär ohne poly(A);nicht essentiell; Hemmung von PKR?

Reaktivierung von EBVZta ausreichend, um Latenz zu brechen (leitet Eintritt in lytische Repl. ein)sequenzspez. DNA-BindungsproteinDimerisierung (Leu-Zipper)Stimulation der frühen viralen PromotorenEintritt in die lytische (produktive) PhaseAktivierung der DNA-Replikation von OriLytFlint et al., 2nd edition, 2004

Zusammenfassung Virale Strategien der Immunevasion und PersistenzLimitierte/keine GenexpressionInfektion immunologischwenig kontrollierter GewebeAntigene Variation (B- und T-Zellen)Interferenz mit AntigenerkennungHemmung des InterferonsystemsInduktion immunologischer ToleranzHSV; EBV; VZVHSV und Masern (Neurone);HPV (Epidermis)HIV; HCVHIV (tat); HSV (ICP47);HCMV (Us3)HCV (NS3/4A; NS5A);Adenovirus (VA-RNA)und viele mehrHBV