Herpes-Simplex-Viren - Institute of Virology

René Kallies
Institute of Virology
Einleitung
• Herpes: altgriechisch herpein: kriechend
• Hippokrates (460 v.Chr. – 379 v.Chr.): Herpes genitales: sich ausbreitende Bläschenkrankheit
• Tiberius: Küssen bei öffentlichen Zeremonien verboten
• Slavin & Gavett (1946): HSV aus Bläscheninhalt eines Patienten isoliert und charakterisiert
• Schneeweis: HSV1 & HSV2 unterscheiden sich in Antigenität
Aufbau Viruspartikel
Aufbau Viruspartikel
• Viriondurchmesser: 150-200 nm
• Durchmesser ikosaedrisches Nucleocapsid: 90-110 nm
• Tegument: Innenraum zwischen Capsid und Membran
•
aus verschiedenen regulatorischen Proteinen zusammen gesetzt
•
z.B. Vhs-Protein
• Anzahl der Oberflächenproteine variabel
•
CMV: ca 70 Virusproteine & ca 70 zelluläre Proteine (Struktur, Chaperone, Enzyme)
• Core: fibrilläre Proteinmatrix, mit linearem Einzelstrang-DNA-Genom assoziert
• Hüllmembran leitet sich aus innerer Kernmembran ab
Aufbau Viruspartikel
Genom & Genomaufbau
Bild von Jahn, Univ. Tübingen
Genom & Genomaufbau
• Genome liegen in Virionen als lineare doppelsträngige DNA vor
• 120000-230000 Basenpaare lang
• Bei allen Virustypen: einmalige (unique) und wiederholte (repeat) Sequenzabschnitte
• Bei Infektion wird lineare DNA in zirkuläres Molekül überführt → Karyoplasma
•
Episom: Plasmide, die in Wirtsgenom integrieren können
• Beide DNA-Stränge codieren für über 100 Genprodukte (CMV über 200)
•
werden teilweise unter Verwendung unterschiedlicher Leseraster von
miteinander überlappenden Leserahmen exprimiert
• Expressionskontrolle durch Promotoren kontrolliert
• Promotoren besitzen Erkennungsstellen für RNA-Polymerse II
• Bindungsstellen für virale & zelluläre Transaktivatoren → Zeitpunkt der Infektion
• Viele Proteine von gespleißten mRNAs translatiert
Genom & Genomaufbau
Genom & Genomaufbau
• HSV-1-Genom
• ca 152000 bp lang
• langes Segment (L: 126000 bp) & kurzes Segment (S: 26000 bp)
• jedes Segment enthält Abschnitt
•
einheitlicher Sequenzfolgen: unique long (UL) & unique small (US)
•
von invertierten Einheiten wiederholter Sequenzen flankiert
•
je nach Lage als terminal repeat (TR) oder internal repeat (IR) bezeichnet
• Während Infektion & Replikation können durch intramolekulare Rekombination der
• identischen invertierten Wiederholungseinheiten vier isomere Genomformen entstehen
• Ori: Stellen, an denen Replikation während lytischer Infektion startet
Genom & Genomaufbau
Replikation
1. Lytischer Infektionszyklus
2. Latenter Infektionszyklus
Lytischer Infektionszyklus
• relativ unspezifische Kontaktaufnahme mit Heparansulfat auf Zelloberfläche
• überwiegend durch virales gB-Protein vermittelt
• gleichzeitig spezifische Wechselwirkung mit zellulären Rezeptoren
• gD-Proteine wechselwirken mit Nectin-1 & herpesvirus entry mediator (HVEM) (HSV)
• Verschmelzen der Virus- und Zellmembran
• Endocytose
• Zellmembranen benachbarter Zellen
• Kapsid mit Tegument im Zytoplasma
• Kapside lagern sich an Mikrotubuli an & werden zu Kernporen transportiert
• Genom und Proteine mit Kernsignal werden in Nucleoplasma entlassen
HSV life cycle: entry
Lytischer Infektionszyklus
• Lineares Genom zirkularisiert
• Expression erfolgt in kaskadenartig reguliertem Zyklus
• Synthese der immediate early-Proteine
• Transkription durch RNA-Polymerase II
• Synthese gecappter, teilweise gespleißter, polyadenylierter mRNAs
• Transport ins Zytoplasma
• Translation
• immediate early-Proteine: Regulatoren in der Zelle
• Transport in Zellkern & Aktivierung der delayed early-Proteine
• delayed early-Proteine: Enzyme & nucleinsäurebindende Polypeptide,
die für Virusreplikation erforderlich sind
HSV life cycle: mRNA Transkription
Lytischer Infektionszyklus
• Virusreplikation erfolgt nach rolling circle-Prinzip
• OriLyt Sequenzen im Virusgenom dienen als Ausgangsorte
HSV life cyle: DNA-Replikation
Lytischer Infektionszyklus
• Zeitgleich mit DNA-Synthese werden späte Virusproteine synthetisiert
• Komponenten der Kapside werden in Zellkern transportiert
• Zusammenbau der verschiedenen Strukturproteine zu Partikelvorläufer,
die keine DNA enthalten
• Proteine an Kapsidinnenseite ermöglichen Wechselwirkung mit viraler DANN
• DNA wird in Vorkapsid geschleust
• DNA-haltige Kapside lagern sich an Kernmembran an
HSV life cyle: Verpackung
Lytischer Infektionszyklus
• Partikel werden durch Knospung mit innerer Kernmembran umhüllt
• Partikel gelangen in perinucleäre Zwischenräume und Zisternen,
welche in Lumen des ER übergehen
• Transiente Virushülle verschmilzt mit ER-Membran
• Hüllenlose Nucleokapside gelangen in Zytoplasma
• Anlagerung Tegument-Proteine an Kapsid an Zisternen des Golgi-Netzwerk
• Membran der Golgizisternen umstülpt Kapsid & Tegument
• Partikel ins Golgilumen
• Transport zur Zelloberfläche & Austritt aus Zelle
HSV life cyle: Verpackung & Virusfreigabe
HSV life cyle
Latenter Infektionszyklus
• Virus-DNA liegt in stabiler Kopienzahl im Kernplasma vor
• Episome sind Chromosomen der Wirtszelle assoziert
• (unklare) unterschiedliche Mechanismen bei verschiedenen Herpesviren
•
•
•
•
•
•
•
•
•
HSV:
Spinalganglien
Oct-2 Protein bindet an zellulären Repressor
Expression der intermediate early-Gene inhibiert
LAT-RNA: antisense-RNA zu ICP0 (Transkriptionsaktivatorprotein)
Sequenzen für microRNAs, RNA-Interferenz, Abbau Transkriptionsfaktoren
EBV:
EBER1- und EBER2-RNA: RNA-Interferenz, Hemmung der Proteinkinase PKR
(interferonvermittelte Hemmung der Proteinsynthese, Indktion Apoptose)
neun verschiedene Latenzproteine: immortalisieren B-Lymphocyten
EBNA-Proteine: Verhinderung MHC-Präsentation, Aktiverung Wchstumsfaktoren, Zellzyklus
LMP-Proteine: Verlust Kontaktinhibition, Induktion NFκB
Latenter Infektionszyklus
HSV-Latenz
Modulate IFN and
cytokine response
Inhibition of
apoptosis
Cell-cell
spread
Allgemeine Infektionsformen
Quelle: Principles of Virology, Flint et al. 2004; Fig 16.1
Persistenz vs Latenz
Quelle: Kräusslich, Uni Heidelberg
Latenz
Rekurrenz
• asympomatische Virusvermehrung
Rekrudeszenz
• mit klinischen Symptomen verbunden
Welche Viren persistieren wo?
Quelle: Principles of Virology, Flint et al. 2004
Voraussetzungen für Persistenz
•
Keine zytopathischen Effekte (keine Zelllyse)
•
1.
2.
3.
Aufrechterhaltung des viralen Genoms
Infektion ruhender Zellen
Kontinuierliche Replikation
Integration ins Wirtsgenom
• Entkommen der Immunantwort (immune escape)
1. Angeborene Immunität (innate immunity)
2. Erworbene Immunität (adaptive immunity)
Persistenzmechanismen
1. Limitierte Genexpression
2. Genomische Variabilität
3. Geringe Virusreplikation
4. Hemmung der Apoptose
5. Replikation in Organen/Geweben mit geringer Immunkontrolle
6. Induktion immunologischer Toleranz
7. Hemmung der angeborenen Immunität (Interferone)
8. Hemmung der erworbenen Immunität
9. Direkte Zerstörung des Immunsystems
Immunsystem?
• Viren verfügen über Mechanimen, um dem Immunsystem zu entweichen
CMV:
• Expression viraler Proteine, die zellulären Genprodukten ähneln
•
UL18: Homolog zu MHC-Klasse-I-Antigenen,
•
Interaktion mit β2-Mikroglobulin
•
Verhinderung Angriff NK-Zellen
•
US28: Homolog zu Chemokinrezeptor
•
bindet RANTES & MCP-1 (aktivierte T-Helferzellen)
• US6: verhindert Beladung MHC mit Peptiden
• virale Interleukine
Taxonomie
Ordnung:
Herpesvirales
Familie:
Herpesviridae
Taxonomische Einteilung
• Einteilung in 3 Unterfamilien anhand :
•
Pathogenität
•
Zelltypen, die infiziert werden
•
Vermehrungseigenschaften
• α-Herpesviren:
•
breites Zellspektrum
•
Vermehrung in Zellkultur mit kurzen Replikationszyklen
•
schnelle Ausbreitung in Zellkultur
•
persistieren in vivo in Nervenzellen der Ganglien
•
humanpathogen: bläschenartiger Hautausschlag
• β-Herpesviren:
•
enges Zellspektrum
•
langer Vermehrungszyklus
•
langsame Ausbreitung in Zellkultur
•
infizierte Zellen erscheinen deutlich vergrößert
Taxonomische Einteilung
• γ-Herpesviren :
•
sehr enges Wirtszellspektrum
•
Dauer des Replikationszyklus unterschiedlich
•
infizieren:
• B-Lymphozyten (EBV)
• T-Lymphozyten (Herpesvirus saimiri)
• → induzieren Zustand der Latenz
• vereinzelt lytische Infektion Epithel-, Endothel-, Fibroblastenzellen
• Weitere Einteilung der Unterfamilien in Genera
•
abhängig von Genomsequenz, Genomaufbau, immunologische Verwandtschaft
Einteilung
• Unterfamilie α-Herpesviren
Genus
Humanpathogene Vertreter
Simplexvirus
Humanes Herpesvirus 1 (HHV-1)
Herpes-Simplex-Virus 1 (HSV-1)
Humanes Herpesvirus 2 (HHV-2)
Herpes-Simplex-Virus 2 (HSV-2)
Varicellovirus
Humanes Herpesvirus 3 (HHV-3)
Varicella-Zoster-Virus (VZV)
Mardivirus
Iltovirus
Einteilung
• Unterfamilie β-Herpesviren
Genus
Humanpathogene Vertreter
Cytomegalovirus
Humanes Herpesvirus 5 (HHV-5)
humanes Cytomegalovirus (hCMV)
Muromegalovirus
Roseolovirus
Humanes Herpesvirus 6 (HHV-6)
Humanes Herpesvirus 7 (HHV-7)
Einteilung
• Unterfamilie γ-Herpesviren
Genus
Humanpathogene Vertreter
Lymphocryptovirus
Humanes Herpesvirus 4 (HHV-4)
Epstein-Barr-Virus (EBV)
Rhadinovirus
Humanes Herpesvirus 8 (HHV-8)
Einteilung
Neuronal:
Leukozytär:
• Alphaherpesvirinae
• Beta- und
Gammaherpesvirinae
• HSV-1/-2
• VZV
• CMV → Monozyten
• EBV → B Lymphozyten
• HHV-6, -7, -8 → Leukozyten
Alphaherpesvirinae
Latenz:
• HSV-1: Trigeminusganglion
• HSV-2: Sakralganglion
• VZV: Dorsale
Stammganglien
Herpes-Simplex-Viren
• Weltweit verbreitet
• 90 % aller Erwachsenen lebenslang infiziert
•
•
•
•
•
HSV-1:
Primärinfektion meist im Kindesalter durch Kontakt mit Bläscheninhalt
oder Sekreten der Mundhöhle
Besiedelung des Trigeminusganglions im Gesichtsbereich
Kann in unregelmäßigen Abständen reaktiviert werden
Wanderung entlang der Nervenbahnen
HSV-2:
• Übertragung durch Genitalsekrete
• Infektion meist im jungen Erwachsenenalter
Herpes-Simplex-Viren
Herpes-Simplex-Viren
• Herpes labiales
Herpes-Simplex-Viren
• Herpes genitales
Herpes-Simplex-Viren
• Herpes neonatorum
• Enzephalitis
Varizella Zoster Virus
•
•
•
•
•
weltweit verbreitet
sehr kontagiös
durch Kontakt und aerogen übertragen
95 % der Infektionen klinisch apparent
80-90 % im Erwachsenenalter infiziert
• für zwei Infektionskrankheiten verantwortlich:
1. Varizellen (Windpocken)
• zytopathische Effekte epidermaler Zellen; Infektion der Lumbosakralganglien
• bakterielle Superinfektionen
• Lebensbedrohliche generalisierte Infektion mit Befall der Lunge (Immunsuppremiert)
2. Zoster (Gürtelrose)
• nach 45. Lebensjahr Reaktivierung des Virus mit
Entzündung des befallenen Ganglions
• Zoster ophtalmicus (Trigeminusast des Auges)
• Zoster oticus (Läsionen am Ohr, Schädigung des Gehörs)
Varizella Zoster Virus
• Varizellen
Varizella Zoster Virus
• Zoster
Therapie
Acyclovir
Guanosinanalogon
virale Thymidinkinase
garantiert Spezifität für
HSV & VZV
Cytomegalovirus
• weltweit verbreitet
• hohe Durchseuchung im Erwachsenenalter
• Übertragung:
• Speichel
• Blut
• Samenflüssigkeit
• Zervixsekret
• Gewebetransplantationen
• häufig innaparrent
• infiziert primär Zellen der Speicheldrüse
• cythopathogener Effekt: Einschlusskörperchen
(Eulenaugenzellen)
Picture: Wutzler, Univ. Jena
CMV Pathogenese
Postnatal:
• fast immer asymptomatisch
• evtl. infektiöse Mononukelose mit Fieber, Lymadenopathie und Splenomegalie
•
Postnatal (immundefizient):
schwere Erkrankung mit Retinitis, Pneumonie, Hepatitis, Nephritis
CMV Pathogenese
Kongenital:
• schwere Schäden mit ZNS Atrophien, Innenohrschwerhörigkeit
und Chorioretinitis (Greggsche Trias)
Picture: Wutzler, Jena
Picture: CDC
Humane Herpesviren 6 und 7
• replizieren in aktivierten CD4+-T-Lymphocyten
• 100 % Durchseuchung
•
•
•
•
HHV-6:
Exanthema subitum (Drei-Tage-Fieber)
selten: Beeinträchtigung Leberfunktion, Enzephaliti
Multiple Sklerose??
chronisches Müdigkeitssyndrom??
Eppstein-Barr-Virus
• weltweit verbreitet
• Durchseuchung im Erwachsenenalter: 80-90 %
• Übertragung durch Speichel (kissing disease)
• infiziert primär Zellen des Rachens und Zungenrandes
• von dort Weitergabe an gewebeinfiltrierende B-Lymphocyten
EBV Klinik
Primärinfektion
• infektiöse Mononukleose (Pfeifer‘sches Drüsenfieber)
• fiebrige Angina
• Lymphknotenschwellung
EBV Klinik
Onkogenes Virus:
• Immortalisierung von B-Lymphocyten
EBV Klinik
•
•
•
•
Burkitt-Lymphom:
in Äquatorialafrika endemischer Tumor
tritt in anderen Teilen der Welt nur sporadisch auf
hauptsächlich Jungen 6-7 Jahre (ca 15 pro 100000 Kinder)
Verzahnung mit Malaria
•
•
•
•
•
Nasopharynxkarzinom:
Südchina
98 pro 100000 Einwohner
genetischer Hintergrund
Ernährungsgewohnheiten: Nitrosamine, Phorbolester
beide Substanzklassen induzieren produktiven Zyklus EBV-latenter Infektion in vitro
HHV 8
• Kaposi-Sarkom assoziiertes Virus
• weltweit verbreitet mit unterschiedlicher Durchseuchung:
• West-, Nord-, Mitteleuropa, USA: 3-10 % seropositiv
• Mittelmeerraum: 4-35 %
• Afrika: 30-60 %
• Übertragung durch engen Kontakt, Speichel, Samenflüssigkeit?
• Ort der Primärinfektion unklar
• Kaposi-Sarkom entwickelt sich aus vaskulären Endotheltellen,
von denen die Spindelzellen HHV-8 infiziert sind
HHV 8 und HIV/AIDS
• Individuen HIV- und KSHVpositiv:
• 100% Risiko für KS innerhalb
10 Jahren
• Individuen HIV-negativ und
KSHV-positiv:
• Risiko für KS 1/5.000 –
1/20.000
• HIV-tat aktiviert KSHV
Replikation