Strukturelle Unterschiede in retroviralen Capsiden

Eine Infektion mit Retroviren führt zu einer lebenslangen, nicht heilbaren Infektion. Zwei Mitglieder der Retrovirusfamilie, HIV-1 und HTLV-1, sind wichtige humane Pathogene. Aus diesem Grund ist es wichtig sowohl humane als auch nicht humane Retroviren zu studieren um gemeinsame Abläufe des viralen Lebenszyklus zu entdecken und zu verstehen. Dies kann dann zu Wegen führen, die virale Infektion zu verhindern oder möglicherweise sogar zu heilen. Im Laufe ihres Lebenszyklus existieren Retroviren in zwei Formen, einem unreifen und einem reifen Zustand. Die Viren verlassen eine infizierte Zelle in einem unreifen, nicht infektioesen Zustand und erst nach der Aktivierung eines viralen Enzyms und dem Durchlauf des Reifungsprozess, in welchem sich die strukturellen Bausteine des Virus rearrangieren, erlangen die Viren Infektioesitat. Es ist von großer Wichtigkeit diesen Vorgang zu verstehen, da ein Eingriff in diesen Prozess den Virus in einem ungefährlichem Zustand hält. Kuerzlich wurde auch die Wichtigkeit von natuerlich vorkommenden kleinen Molekuelen in der viralen Assemblierung und Reifung nachgewiesen. Mittels neuester Kryoelektronenmikroskopischer Methoden und Bildverarbeitungsmethoden versuchen wir neue hochaufloesende Einblicke in retrovirale Strukturen zu geben und zu verstehen welche Rolle diese kleinen Molekuele im viralen Lebenszyklus genau spielen. Indem wir die Strukturen von mehreren Retroviren miteinander vergleichen, koennen wir verstehen welche Abläufe und strukturelle Mechanismen fuer den Virus absolut essentiell sind um seine Infektioesitaet zu erlangen.

Retroviren sind wichtige Krankheitserreger in Menschen und Tieren. Sie verursachen lebenslange Infektionen, für die es keine Heilung gibt. Ein Beispiel für ein solches Virus ist HIV, der Hauptverursacher von AIDS. Retroviren existieren in zwei Formen, unreif und reif, wobei sich Retroviren anfänglich zu der unreifen, nicht-infektiösen Form zusammensetzen. Bei der Reifung durchläuft das Virus eine dramatische strukturelle Veränderung seiner inneren Bestandteile. Da eine Störung der Assemblierung und Reifung dazu führt, dass das Virus nicht infektiös ist sind diese Schritte relevante therapeutische Ziele. Deshalb ist es wichtig sie aus struktureller Sicht zu verstehen. In früheren Studien konnte gezeigt werden, dass Retroviren ähnlich geformte Bausteine, sogenannte Kapsidproteine, verwenden, um sich zusammenzusetzen. Verschiedene Retroviren verwenden diese Kapsidproteine allerdings nicht identisch. Stattdessen setzen sie diese Bausteine mit erheblichen Variationen zu unterschiedlichen Formen zusammen. Eine Hauptfragestellung dieses Projekts war es, die konservierten und unterschiedlichen Strukturmechanismen bei der Assemblierung und Reifung von Retroviren besser zu verstehen. Kürzlich wurde auch festgestellt, dass ein natürlich vorkommendes kleines Molekül namens Inositol-Hexakiphosphat (oder kurz IP6) den Zusammenbau und die Reifung von HIV-1 fördert. Wir wollten herausfinden, ob dieses Molekül neben HIV-1 auch bei anderen Retroviren eine Rolle spielt. Mittels Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET), einer Technik zur Betrachtung extrem kleiner Proben in ihrem natürlichen Zustand, konnten wir beispiellose Einblicke in die Struktur verschiedener retroviraler Anordnungen geben und die Rolle von IP6 genauer entschlüsseln. Insbesondere konnten wir zeigen, dass ein naher Verwandter von HIV-1, das Pferderetrovirus Equine Infectious Anemia Virus (EIAV), ähnliche Aufbaustrategien wie HIV-1 anwendet. Wir konnten klar abgrenzen, welche Bereiche des Kapsidproteins für beide Retroviren wichtig sind und daher im Laufe der Evolution identisch gehalten oder verändert wurden. Weiter konnten wir zeigen, dass die Rolle von IP6 in Lentiviren (der Gattung innerhalb der Retroviren, zu der sowohl HIV-1 als auch EIAV gehören) konserviert ist. In weiterer Folge analysierten wir Rous-Sarkom-Virus (RSV), mittels hochauflösender Kryo-ET untersucht und konnten zeigen, dass IP6 auch bei diesem Retrovirus, das weit entfernt mit HIV-1 verwandt ist, eine entscheidende Rolle in seinem Lebenszyklus spielt. Durch die Entwicklung neuer Bildverarbeitungsprogramme konnten wir ermitteln, dass RSV eine unerwartete Flexibilität in der Art und Weise zeigt, wie es sein Kapsid zusammenbaut, um eine schützende Hülle um seine genetischen Informationen zu bilden. Zusammenfassend liefern unsere Ergebnisse neue grundlegende Einblicke in wichtige Aufbau- und Reifungsmechanismen in Retroviren und zeigen erstmals, dass IP6 neben HIV-1 auch in anderen Retroviren eine wichtige Rolle spielt. Diese Arbeit legt den Grundstein um die Biologie von Retroviren besser zu verstehen und Mechanismen zu identifizieren, die die Infektiosität von Retroviren beeinträchtigen.