Asymmetrie in icosaedrischen Viren

Eine virale Infektion resultiert üblicherweise in der Umprogrammierung der Wirtszelle; sie wird dabei gezwungen vorwiegend Virusnachkommen zu produzieren. Die Viren transferieren dazu ihre genetische Information, kodiert in Form von Nukleinsäuren, vom Inneren des schützenden Kapsids durch eine für sie gefährliche Umgebung ins Innere der Zelle. Meist beginnt die Infektion damit, dass das Virus an geeignete Strukturen an der Zelloberfläche bindet und daraufhin im Inneren von Lipidvesikeln, die sich von der Innenseite der Plasmamembran abschnüren, ins Zytoplasma transportiert wird. Sobald in diesen Vesikeln, den Endosomen, geeignete Bedingungen herrschen die ein gefahrloses Öffnen des Kapsids erlauben, geben die Viren ihre Nukleinsäuren ab; aus dem Virion kommend, durchdringen diese die Vesikelmembran und erreichen schließlich das Zytosol. Es ist gänzlich ungeklärt wie diese auf kleinstem Raum zusammengeknäuelten Nukleinsäuren das virale Kapsid verlassen und unbeeinträchtigt an ihr Ziel gelangen, wo sie die Synthesemaschinerie der Wirtszelle nötigen neue Viren zu erzeugen. Rhinoviren, die Hauptverursacher des immer wiederkehrenden Schnupfens, besitzen ein Genom aus einem einzelnen RNA-Strang von etwa 7200 Nukleotiden. Das entspricht einer Gesamtlänge von etwa 2 Micrometer. Dieser lineare Strang ist durch lokal komplementäre Regionen in eine Vielzahl kurzer doppelsträngiger Bereiche gefaltet, die durch Schleifen verbunden sind. Dieses hochkomplex dreidimensional gefaltete Molekül ist in einem Volumen von etwa 4 x 10-21 Litern eingeschlossen, was einer Konzentration in der Grössenordnung von kg pro Liter entspricht. Es ist ungeklärt, wie sich dieses kompakte Molekül wieder entfaltet um durch eines der kleinen Löcher zu schlüpfen, die sich im Kapsid unter dem Einfluß des sauren Milieus in den Mebranvesikeln, den oben genannten Endosomen, öffnen. Wir wollen daher unter anderem herausfinden, wie das RNA Molekül im Inneren des ikosahedrischen Kapsids angeordnet ist sodaß, wie wir glauben, eines der Enden, an eine bestimmte Stelle zu liegen kommt. Um diese Frage zu klären werden wir eine Vielzahl von komplementären Techniken verwenden, vor allem die Cryoelektronenmikroskopie. Wir haben Hinweise darauf, dass die RNA, im Begriff das Virus zu verlassen, ein bestimmtes zelluläres Protein bindet. Dies könnte das Partikel derart orientieren, dass die Austrittsöffnung an der Membran zu liegen kommt sodaß sich ein Kanal bildet, der das Innere des Virus mit dem Zytoplasma verbindet. Wir werden dazu neue Ansätze entwickeln, um die Enden des RNA Moleküls im Virion kurz vor und kurz nach dem Öffnen der Kanäle mit Metallen zu markieren, sodass wir sie im Elektronenmikroskop sehen können; gleichzeitig wollen wir neue Möglichkeiten zur Inhibition dieser Vorgänge explorieren.

Die Hauptverursacher des Schnupfens sind Rhinoviren (RV). Durch die meist auf die Nasenschleimhaut beschränkte Infektion wird nur eine geringe Immunität erzielt und diese erstreckt sich nicht auf die vielen anderen RV Stämme. Man kann daher immer wieder mit einer neuen RV Variante infiziert werden. RVs sind Ikosaheder mit einem Durchmesser von etwa 30 nm. Sie besitzen keine Lipidhülle und sind aus je 60 Kopien von nur vier verschiedenen Proteinen und einem einzelsträngigen RNA Genom aufgebaut. Es gibt in der RV Forschung zwei brennende Fragen: Erstens, wie ist die nicht-symmetrische RNA im Inneren des Viruskapsids gefaltet und, zweitens, wie verläßt diese RNA das Kapsid und durchdringt zumindest eine Lipidmembran um ins Zytoplasma zu gelangen, wo die Vermehrung statt findet. Unter Verwendung unterschiedlicher Techniken konnten wir zeigen, wie das Virus seine Struktur ändert um die RNA zu entlassen und durch neuartige Klassifizierungsmethoden war es möglich Abweichungen von der strikten ikosahedrischen Symmetrie durch die Interaktion der unterschiedlichen RNA Segmente mit identischen Kopien der viralen Proteine nachzuweisen. Es gibt zwar eine Reihe von niedermolekularen Verbindungen, die die Infektion inhibieren, aber keine davon konnte bisher zu einem Medikament weiter entwickelt werden. Diese Verbindungen sind gegen verschiedene virale Proteine gerichtet (die viralen Proteinasen, die viral RNA Polymerase etc.) oder stabilisieren das Kapsid gegen die oben genannten Strukturänderungen, sodaß das Genom nicht ins Zytoplasma gelangen kann. Für eine neuere dieser Verbindungen konnten wir die Bindungsstelle am Kapsid identifizieren was bei deren Weiterentwicklung sehr nützlich ist. Ausserdem konnten wir bestimmte Faltungsmuster der viralen RNA mittels spezifisch bindender Verbindungen stabilisieren, was die RNA als neues potentielles Ziel antiviraler Therapie ausweist.