Identification of molecular detection mechanisms associated with apoptosis induction in response to arenavirus infection
bearbeitet am Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie
Arenaviren stellen eine Bedrohung für den Menschen dar, da verschiedene Spezies dieser Virus-Familie nach Infektion hämorrhagische Fieber auslösen können, die mit einem oft tödlichen Krankheitsverlauf einhergehen. Neben hochpathogenen Arenaviren (z.B. Lassa-Virus oder Junín-Virus (JUNV)) gibt es aber auch eine Reihe anderer Arenaviren, die nicht pathogen für den Menschen sind, wie beispielsweise das Tacaribe-Virus (TCRV), obwohl diese apathogenen Viren mit hochpathogenen Arenaviren eng verwandt sind. Die zugrundeliegenden Mechanismen für diese Unterschiede im Pathogenitätspotential sind derzeit wenig verstanden, obwohl ein solches Verständnis wichtig wäre, neu auftretende Arenaviren hinsichtlich ihres Gefährdungspotentials bewerten zu können, und um neue Therapiestrategien zu entwickeln. Es konnte gezeigt werden, dass pathogene und apathogene Arenaviren Wirtszellantworten auf unterschiedliche Weise modulieren, was Unterschiede in den durch diese Viren ausgelösten Krankheitsverläufen erklären könnte. Eine solche Wirtszellantwort, welche durch hochpathogene und apathogene Arenaviren unterschiedlich reguliert wird, ist die Apoptose (programmierter Zelltod), die durch Infektionen mit dem TCRV aktiviert wird, wohingegen JUNV-infizierte Zellen keinerlei Anzeichen für einen solchen Zelltod aufzeigen.
Um die Unterschiede dieser Wirtszellantwort und die eventuelle Verbindung zur Pathogenität dieser Viren besser verstehen zu können, war das Ziel meiner Doktorarbeit, die einzelnen Schritte der Apoptose-Signalwege während einer TCRV- und JUNV-Infektion systematisch zu untersuchen. Dabei konnte ich zunächst die Beteiligung des intrinsischen Apoptose-Weges während der Infektion mit TCRV nachweisen. Unterstützt wurden diese Daten durch den Nachweis der Aktivierung spezifischer apoptotischer Faktoren (Abbildung 1), die wiederum durch Knockout-Experimente als Schlüsselfaktoren für die Aktivierung der Apoptose in TCRV-infizierten Zellen validiert werden konnten. Obwohl JUNV anscheinend keine Apoptose induziert (d.h. es nicht zum Absterben der Zellen kommt), konnte auch für dieses Virus pro-apoptotische Signalweiterleitung mittels der gleichen Faktoren nachgewiesen werden. Dies zeigt, dass sowohl JUNV als auch TCRV in der Lage sind, diese Signale zu induzieren, jedoch das hochpathogene JUNV eine Strategie entwickelt haben muss, diesen Prozess gezielt umgehen zu können. Die weitere Untersuchung individueller viraler Proteine identifizierte das Matrixprotein Z als alleinigen Auslöser der Apoptose sowohl für TCRV als auch für JUNV. Dieser Effekt konnte durch Ko-Expression vom JUNV Nukleoprotein (NP), aber nicht vom TCRV NP aufgehoben werden, was für eine spezifische Funktion von JUNV NP in einem Apoptose-Hemmmechanismus spricht (Abbildung 2).
Interessanterweise führte der Knockout der identifizierten pro-apoptotischen Gene (und die damit verbundene Ausschaltung des Zelltods) zur Produktion von TCRV-Partikeln, die eine verringerte Infektiosität für Makrophagen (wichtige Zielzellen für Arenaviren) aufwiesen, was einen ersten Hinweis auf eine funktionelle Bedeutung der Apoptose für Arenaviren gibt. Die in dieser Arbeit identifizierten Modifizierungen der apoptotischen Faktoren deuten weiterhin auf die Beteiligung diverser vorgeschalteter Signalmoleküle hin, die eine wichtige Rolle während einer Arenavirus-Infektion spielen könnten (Abbildung 1). Viele dieser Signalmoleküle, die an der Apoptose-Regulation beteiligt sind, zeichnen sich auch durch eine Funktion in der Zytokinproduktion aus - eine Wirtszellreaktion, die sich signifikant in TCRV und JUNV-infizierten Makrophagen und anderen Zielzellen unterscheidet. Dieser Zusammenhang zwischen mechanistisch vorgeschalteten Signalkaskaden, Apoptose und einer potenziellen Rolle der Zytokin-Antwort für das Pathogenitätspotential eng verwandter Arenaviren stellt den Fokus meiner aktuellen Arbeiten am FLI dar.
Abbildung 1: Model der intrinsischen Apoptose-Signalweiterleitung reguliert durch TCRV-Infektion. Das apoptotische Gleichgewicht wird durch eine Kombination aus pro- und anti-apoptotischen Faktoren reguliert, wobei letzendlich der Einfluss pro-apoptotischer Faktoren während der infektion überwiegt und der Zelltod einleitet wird.
Abb.: J. Holzerland
Abbildung 2: Pathogene und apathogene Arenaviren unterschieden sich in ihrer Fähigkeit, Apoptose zu induzieren. JUNV und TCRV induzieren eine ähnliche pro-apoptotische Signalweiterleitung in infizierten Zellen, ausgelöst durch das virale Matrixprotein Z. Dieser Effekt kann durch das virale Nukleoprotein NP von JUNV, aber nicht von TCRV, aufgehoben werden, was dafürspricht, dass JUNV eine Strategie entwickelt hat, Apoptose aktiv zu umgehen.
Abb.: J. Holzerland