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Molecular Biology and Application of Recombinant Foamy Viruses
Prof. Martin Löchelt

Übersicht über Foamy(retro)viren

Foamyviren (FV), auch Spuma(retro)viren genannt, sind die am wenigsten untersuchten Vertreter innerhalb der Virusfamilie der Retroviren. Während der letzten Jahre stieg das wissenschaftliche Interesse an Foamyviren aus verschiedenen Gründen: 1. Foamyviren werden als sehr Erfolg versprechende neuartige Vektoren für den gezielten Gentransfer und die Expression therapeutischer Gene und Antigene angesehen, z.B. für die Transduktion humaner hematopoietischer Stammzellen oder als Vakzinierungs-Vektor. 2.Foamyviren „wild-lebender“ oder gefangener Affen (diverse nicht-humane Primaten), die sog. Simian-FVs (SFV), haben wiederholt die Speziesgrenze überwunden und Menschen (besonders Tierpfleger und afrikanische Jäger) infiziert. Diese zoonotischen Übertragungen beinhalten die Gefahr, dass sich die SFVs an den Menschen adaptieren und so auch von Mensch-zu-Mensch übertragen werden, Hinweise hierfür sind aber derzeit nicht bekannt. 3. Foamyviren sind generell von hohem wissenschaftlichem Interesse, da wesentliche Aspekte des Lebenszyklus, der Partikel-Bildung, –Freisetzung und -Ultrastruktur von denen der anderen bekannten Retroviren substantiell abweichen. Diese Foamyvirus-spezifischen Unterschiede führten sogar dazu, dass Foamyviren in der eigenständigen systematischen Unterfamilie Spumaretrovirinae zusammengefasst wurden, die Orthoretrovirinae beinhalten alle anderen bekannten Retroviren.

Wie das humane Immundefizienzvirus HIV und das humane T-Zell-Leukämie-Virus HTLV, sind Foamyviren komplexe Retroviren bezüglich ihrer genetischen Kodierungskapazität, der Regulation und Kontrolle der viralen Genexpression und ihrer Wechselwirkungen mit der infizierten Wirtszelle und dem Wirtsorganismus. Neben diesen gemeinsamen Eigenschaften weisen Foamyviren folgende Charakteristika auf, die sie klar von den klassischen Orthoretroviren (Onkoretro- und Lentiviren) unterscheiden: Zusätzlich zu den gag, pol and env Genen und den regulatorischen Elementen, die primär in beiden LTRs (lange terminale Repetitionen) lokalisiert und allen Retroviren gemein sind, enthalten Foamyvirus-Genome bis zu drei zusätzliche offene Leseraster (bel1 bis bel3), die (fast) ausschließlich vom internen Promoter (IP) im 3’-Ende des env Gens exprimiert werden. Die Anwesenheit eines funktionell aktiven und essentiellen IP ist ein Foamyvirus-spezifisches Charakeristikum. Der LTR und der interne Promoter benötigen beide für eine hohe Genexpression den viralen Bel1 Transaktivator, Bel 1 und der IP sind somit für die virale Infektiosität absolut essentiell.
Während die Funktionen des Bel1 Transaktivators gut untersucht sind, sind die Funktionen des stark exprimierten cytoplasmatisch lokalisierten Bet Protein, das aus bel1 and bel2 Gensequenzen besteht, noch nicht vollständig verstanden. Gegenwärtige Studien in der Arbeitsgruppe zeigen, dass das FV Bet Protein die antivirale Aktivität zellulärer APOBEC3 Proteine inhibiert. Weiterführende mechanistische Untersuchungen zu diesen neuen und für die Vektorentwicklung wesentlichen Thema werden derzeit durchgeführt (siehe unten).
Im Gegensatz zu anderen Retroviren wird das Foamyvirus Pol-Polyprotein unabhängig von den Gag Kapsidproteinen von einer gespleißten, sub-genomischen mRNA exprimiert. Zudem wird das foamyvirale Pol-Vorläuferprotein nur unvollständig proteolytisch prozessiert, was zu der einzigartigen Konstellation führt, dass ein Fusionsprotein bestehend aus der Protease und der Reversen Transkriptase in infizierten Zellen und Virionen nachweisbar ist. Auch der Beginn (das „Timing“) der Reversen Transkription der genomischen RNA während des foamyviralen Lebenszyklus ist atypisch: zumindest eine substantielle Fraktion der DNA Synthese erfolg bereits in der Virus-produzierenden Zelle vor der Partikelfreisetzung und nicht erst nach dem Eintritt in die neue Wirtszelle. Somit enthalten viele der freigesetzten Foamyvirus-Partikel bereits provirale DNA-Genome.

Im Gegensatz zu den Orthoretroviren ist das Foamyvirus Env-Protein für die Partikelfreisetzung absolut erforderlich, wahrscheinlich aufgrund sehr spezifischer Interaktionen zwischen einer definierten N-terminalen Struktur des Gag-Proteins, dem FV „Matrix-Layer“ und dem „Env leader protein“, welches eine erst kürzlich identifizierte Komponente freigesetzter FV-Partikel ist.
FVs haben einen weiten Gewebs-Tropismus und können in vitro in einer Vielzahl von Zelltypen unterschiedlicher Spezies replizieren. Die große Zahl permissiver Zielzellen ist wahrscheinlich darin begründet, dass der Foamyvirus-Rezeptor quasi ubiquitär vorkommt. Die Replikation von Foamyviren in Zellkulturen ist oft cytophatisch/lytisch während sie im natürlich infizierten Wirt eine lebenslang persistierende Infektion ohne offensichtliche Krankheitssymptome induzieren. Aufgrund dieser scheinbar gutartigen Persistenz im natürlichen Wirt werden Foamyviren als apathogen eingeschätzt. Dennoch haben Foamyviren in transgenen Mäusen ein beträchtliches pathogenes Potential, inwieweit jedoch transgene Tiere eine natürliche Infektion oder einen zoonotischen Wirtswechsel exakt widerspiegeln ist offen.

Genomorganisation
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Cryo-EM
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Gegenwärtige Forschungs-Projekte

Foamyvirus-basierter Vektoren

Vectors
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Verschiedene Replikations-kompetente und Replikations-defiziente Vektoren, die auf dem Genom des Katzen-Foamyvirus basieren, wurden bereits etabliert und in Zellkulturen oder in Katzen, unserem tierexperimentellen Modell zur Analyse der Effizienz und Anwendbarkeit dieser Vektoren, funktionell untersucht. Gegenwärtige Untersuchungen zeigen, dass 1. Replikations-kompetente Impf-Vektoren eine partiell protektive Immunität in Katzen induzieren während 2. die Replikations-defizienten Vektoren der 3. Generation ein hohes Maß an biologische Sicherheit aufweisen und die langfristige Expression eines heterologen (Marker)-Gens erlauben. Wir entwickeln gegenwärtig neue Vektoren für die therapeutische Anwendung bei bestimmten menschlichen Krebsformen.

Morphologie und Zusammenbau

Morphologie
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Unsere während der letzten Jahre durchgeführten ultra-strukturellen, biochemischen und virologischen Untersuchungen an FVs haben wesentliche neue Erkenntnisse zur 1. Zusammensetzung der Viruspartikel (Foamyviren enthalten ein bislang unbekanntes Glykoprotein-Produkt, das N-Terminale „Env Leader Protein“, Elp), 2. die räumliche Anordnung der Strukturproteine (Nachweis des neuen “Matrix-layer“ mittels Cryo-Elektronenmikroskopie) und 3. die Interaktion definierter Domänen der Gag- und Env-Proteine, die für die foamyvirale PartikelFreisetzung essentiell sind. Diese Ergebnisse werden gegenwärtig genutzt, um Foamyviren zu „pseudotypisieren“ (Substitution der authentischen Foamyvirus-Env Proteins durch andere virale Oberflächenproteine), um die Mechanismen und zellulären Partner für die Partikelfreisetzung zu identifizieren.

Zoonose

Zoonose
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Die Übertragung von Tierviren auf den Menschen (Zoonosen) wurde wiederholt für verschiedene Affen-Foamyviren beschrieben. Solche zoonotischen Ereignisse stellen eine ernstzunehmende Bedrohung der menschlichen Gesundheit dar, da auf diese Weise neue humanpathogene Viren entstehen können. Gegenwärtig ist unbekannt, ob Katzen-, Rinder- oder Pferde-Foamyviren auf den Menschen übertragen werden. Deshalb etablieren wir entsprechende serologische Nachweisverfahren, die einen hohen Probendurchsatz erlauben. Zudem werden die Biologie, Ausbreitung und Replikation der bovinen und felinen Foamyviren in ihren natürlichen Wirten (Rind und Katze) untersucht.

Anti-viraler Restriktionsfaktoren

Restriction
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Studien der letzten Jahre zeigten, dass die Replikation verschiedener Retroviren, zumindest teilweise, durch zelluläre anti-virale Faktoren begrenzt wird. Wir haben sehr klare Hinweise, dass ähnliche Mechanismen auch die Replikation von Foamyviren einschränken. Als Antwort haben Foamyviren, so unsere neuesten Ergebnisse, spezifische Gegenmaßnahmen in Form des APOBEC3-inhibitorischen Bet Proteins entwickelt. Gegenwärtig werden die zugrundeliegenden Mechanismen und die daran beteiligten zellulären und viralen Proteine weiter molekular charakterisiert.

Letzte Aktualisierung: 14.02.2013 Seitenanfang