Evolution der Rhinoviren

Rhinoviren des Menschen (HRVs) sind die Haupterreger von Schnupfen. Obwohl alle HRVs dieselbe Organisation des Genoms und eine sehr ähnliche 3-D Struktur besitzen verwenden 12 Serotypen (die minor group) Vertreter der low-density lipoprotein receptor (LDLR) Familie and 87 Serotypen (die major group) das Interzelluläre Adhäsionsmolekül 1 (ICAM-1) zum Eindringen in die Zelle. Es ist unbekannt, wie sich diese Viren entwickelt haben, um zwei strukturell und funktionell verschiedene Rezeptoren zu verwenden und in verschiedener Weise zu binden; sechzig ICAM-1 Moleküle binden an 60 symmetrische Bindungstellen am Virion. Die Spitze ihrer Nterminalen Domainen reichen in den canyon, eine Furche, die um den Vertex des icosahedrischen Partikels läuft. Im Gegesatz binden LDL-Rezeptoren in einzigartiger Weise an die sternförmige Erhebung rund um die fünfzähligen Symmetrieachsen. Im Prinzip könnte ein Virion daher an jeder Ecke 5 Rezeptormodule unterbringen. Dies resultiert in einer Bindung von 12 Kopien des Rezeptors pro Virion. Aber nicht nur die Rezepterbindung ist verschieden: ICAM-1 destabilisiert das virale Kapsid und erleichtert die Freisetzung des RNA Genoms während artifizielle Multimere des LDLRezeptors die Viren stabilisieren. Da HRVs in Endosomen internalisiert werden muss das Genom ins Zytoplasma transferiert werden. Dies geschieht durch eine Pore im Fall der minor group HRVs und durch ein Zerreißen der endosomalen Membran im Fall der major group HRVs. Der zugrunde liegende Mechanismus ist unbekannt. Aus diesen Gründen wollen wir die Rolle der Aminosäurereste and der Virus- Rezeptor Bindungsstelle in der Erkennung und Unterscheidung der viralen Rezeptoren herausfinden. Wir wollen ebenso aufklären welche Module der natürlichen Rezeptoren das Virus binden können und welche an der Interaktion beteiligt sind. Letztendlich möchten wir herausfinden wie die Viren beim niedrigen endosomalen pH von ihren Rezeptoren dissoziieren und wie sie an die Lipidmembran binden um eine Pore zu öffnen oder die Membran zu zerreißen. Der Vergleich zwischen der minor und major Rhinovirus Rezeptor Gruppe im Hinblick auf die Unterscheidung der Rezeptoren ist von grosser Bedeutung für das erständnis der Evolution dieser Viren. Die Information, die in diesen Studien erhalten wird ist von großem Wert für den strukturbasierten Entwurf viraler Inhibitoren.

Etwa 115 Rhinovirus-Serotypen, Spezies HRV-A, -B und -C, sind hauptverantwortlich für Schnupfen. Trotz dieser Diversität binden etwa 85% (die major receptor group) an das intercelluläre Adhesionsmolekül 1 (ICAM-1) während circa 10% (die minor receptor group) an Vertreter der Familie der low-density lipoprotein Rezeptoren (LDLR) bindet um in die Zelle zu gelangen. Strukturelle Grundlagen der Rezeptorunterscheidung in der Aufnahme in die Zelle waren größtenteils unbekannt. Das Wissen um gemeinsame, von den Rezeptoren erkannte Motive ist essentiell für die Entwicklung von Bindungsinhibitoren. Wir berechneten 3-D Modelle aller HRVs mit bekannter genomischer Sequenz auf Basis der verfügbaren Röntgenstrukturdaten von fünf HRV Typen und dockten daran ein Fragment des very-LDLR indem die Röntgenstruktur eines Komplexes mit HRV2 verwendet wurde. Die Affinität des Rezeptors zu jedem dieser Modelle wurde mittels verschiedener Softwareprogramme vorausgesagt. Bis auf einen wurden alle HRVs von der Sequenz allein korrekt klassifiziert und die wichtigsten strukturellen Charakteristika der Rezeptorunterscheidung abgeleitet. HRV beider Rezeptor Gruppen verhalten sich auch verschieden im Hinblick auf das Eindringen in die Zelle. Deshalb untersuchten wir die Aufnahmewege von HRV8 und HRV14 (beide major group Viren) und identifizierten einen Makropinocytose-ähnlichen Mechanismus. HRV8 verwendet Heparansulphat (HS) als alternativen Rezeptor. Während die Aufnahme via ICAM 1 und via HS sehr ähnliche Inhibitor-Profile besitzt, ist die Morphologie der Invaginationen der Plasmamembran in denen die Viren akkumulieren, unterschiedlich. Dies deutet darauf hin, dass verschiedene Spielarten der Makropinozytose existieren könnten. In früheren Arbeiten hatten wir gezeigt, dass die Aufnahme des minor-group Virus HRV2 Clathrin abhängig ist. Zusätzlich führten wir folgende kollaborative Studien durch: 1) Bestimmung der Unbindungskraft zwischen HRV2 und LDLR an der Zelloberfläche mittels Atomkraftspektroskopie, 2) Verwendung von Fotolithographie für die Herstellung von Photo-schaltbaren Oberflächen, und 3) Studien von Antikörpern gegen die `covalent linkage unit` einer spezifischen Struktur am 5`-Ende viraler RNA zur Immunolokalisation von Replikationskomplexen. Schließlich publizierten wir einen Übersichtsartikel über die Aufnahme von Rhinoviren der diese Studien zusammenfasst.