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4.1 - 4.5 - Grippe (gesamt)

Lebenszyklus des Influenza-Virus im Detail – vRNA-Replikation und Transkription

Nachdem die RNP-Kerne den Zellkern erreicht haben, beginnt die eigentliche Reproduktion der Virusbestandteile, also der viralen RNA (vRNA) und der Virus-Proteine. Die Biosynthese der Virus-Proteine findet an den Ribosomen bzw. Polysomen der Wirtszelle statt. Dafür wird eine zur negativen vRNA komplementäremRNA (messenger-RNA) benötigt, die von den Ribosomen translatiert werden kann. Den viralen mRNA-Molekülen fehlt ein zum 5´-Ende der vRNA komplementärer, 15-20 Nucleotide umfassender Abschnitt. Aus diesem Grunde ist die virale mRNA nicht als Matrize für die vRNA-Replikation geeignet.

Zu diesem Zweck wird vielmehr zunächst eine zur vRNA vollständig komplementäre cRNA produziert, die dann als Matrize für die Synthese neuer vRNA dient.

Abb.1
Biosynthese von vRNA, mRNA und cRNA des Influenza Virus

Biosynthese von vRNA, mRNA und cRNA des Influenza Virus (nach R.A. Lamb, P.W. Choppin, Ann. Rev. Biochem. 1983, 52, 490): Die Cap-Strukturen an den 5'-Enden der viralen mRNA, die von mRNA-Molekülen der Wirtszelle stammen und die Poly(A)-Schwänze sind farbig dargestellt - vergleiche auch unten stehenden Text.

Für die Transkription der vRNA in virale mRNA können keine zellulären Enzyme herangezogen werden, da die Wirtszelle kein RNA-abhängiges Transkriptionssystem besitzt. Stattdessen muss das Influenza-Virus die dazu notwendigen Enzyme codieren und bei der Infektion mit in die Zelle einbringen.

Es handelt sich dabei um die in den RNP-Kernen enthaltenen Proteine PB1, PB2 und PA. PB2 bindet zunächst an das 5´-Cap-Ende (s.u.) zellulärer mRNA. Im folgenden tritt PB1 mit der Primärkette dieser mRNA in Wechselwirkung und spaltet einen Teil vom 5´-Ende ab, der die Cap-Struktur und 10-13 Nucleotide enthält und mit A (Adenosin) oder G (Guanosin) endet. Dieses RNA-Fragment dient nun als Primer (Startmolekül) für die Transkription der vRNA, die durch die virale RNA-Polymerase, das Protein PA, erfolgt. Außerdem hat es noch weitere wichtige Funktionen:

Abb.2
Die Cap-Struktur

Cap-Struktur mit dem 7-Methyl-guanosin-Rest (grün) und der 5´-5´-Triphosphat-Brücke (rot). Bei der Cap-0-Struktur sind R1 und R2=H, bei Cap-1 ist R1=CH3 und R2=H, bei Cap-2 sind R1 und R2=CH3.

•    Die Cap-Struktur besteht aus einem endständigen 7-Methyl-guanosin-Rest (7-Methyl-G). Dieser ist über eine 5´-5´-Triphosphat-Brücke mit dem 5´-Ende der mRNA verknüpft.

•    Die Funktion der Cap-Struktur, die posttranskriptional enzymatisch an die zelluläre eukaryontische mRNA angefügt wird, besteht in der Bindung an eine Untereinheit des Proteins eIF-4F (eukaryontischer Initiationsfaktor 4F). eIF-4F ist als einer der Initiationsfaktoren der Translation maßgeblich am Start der Proteinbiosynthese (Translation) in eukaryontischen Zellen beteiligt. Die Cap-Struktur ist deswegen auch für den Start der Translation der viralen mRNA unentbehrlich, weil diese an den Ribosomen der eukaryontischen Wirtszelle stattfindet.

•    Am 3´-Ende der viralen mRNA befindet sich, wie bei den meisten zellulären mRNA-Molekülen auch, ein Poly(A)-Schwanz. Dieser 3´-Poly(A)-Schwanz ist für die Translation nicht zwingend erforderlich und wird auch nicht translatiert.

•    In vitro-Experimente haben ergeben, dass nicht-polyadenylierte mRNA an den Ribosomen ebenfalls translatiert wird. Der Poly(A)-Schwanz verlängert die Lebensdauer der mRNA im Cytosol. Offenbar muss zunächst der Poly(A)-Schwanz vom 3´-Ende her enzymatisch abgebaut werden, bevor die proteincodierenden inneren Abschnitte der mRNA angegriffen werden können. Außerdem bindet die Poly(A)-Kette an das so genannte Poly(A)-bindende Protein (PABP), wodurch der Schutzeffekt noch unterstützt wird.

Während die Synthese der viralen mRNA bereits ca. 20 Minuten nach der Infektion der Wirtszelle einsetzt, beginnt die Herstellung der cRNA erst nach ca. 30 Minuten. Letztere benötigt keinen Primer und liefert eine zur vRNA vollständig komplementäre cRNA. Die cRNA besitzt am 5´-Ende keine Cap-Struktur, sondern beginnt dort mit pppA. Sie wird nicht translatiert und endet nicht mit einem 3´-Poly(A)-Schwanz. Auch für die Transkription der vRNA in cRNA ist aus dem gleichen Grunde wie bei der mRNA virale Transkriptase erforderlich.

Es wird angenommen, dass die Virus-Transkriptase durch eines oder mehrere der Virus-Proteine NS1, NS2 und NS3 so modifiziert wird, dass diese primerunabhängig funktioniert und eine komplette Transkription der vRNA ablaufen kann.

Abb.3
Rolle der Nonstructural Proteins

Schematische Darstellung der Rolle der nonstructural proteins NS (X=1, 2 oder 3) für die alternative Transkription der vRNA in mRNA oder in cRNA bzw. der cRNA in vRNA durch die Modifikation der viralen Transkriptase PA.

Diese Modifizierung durch die nonstructural proteins (NS) könnte der Grund für den späteren Beginn der cRNA- im Vergleich zur mRNA-Synthese sein. Die NS-Proteine werden zwar vom Influenza-Virus codiert, aber nicht in das Virus eingebaut. Nach der Infektion einer Wirtszelle müssen sie deswegen erst neu synthetisiert werden, bevor sie ihre Wirkung entfalten können. Dazu ist allerdings zunächst die Transkription der entsprechenden vRNA-Abschnitte in virale mRNA erforderlich, die dann an den Polysomen der Wirtszelle in die NS-Proteine translatiert wird. Die für die Transkription der vRNA in virale mRNA zuständigen Proteine PB1, PB2 und PA werden hingegen bereits bei der Infektion vom Virus mit in die Wirtszelle eingebracht. Dieses ist auch zwingend notwendig, weil sonst aufgrund fehlender viraler mRNA keine viralen Proteine produziert werden könnten, auch nicht PB1, PB2 und PA.

Der genaue Reaktionsmechanismus der Transkription der cRNA in vRNA und die Aufgaben der nonstructural proteins NS2 und NS3 konnten bisher nicht geklärt werden. Einige Funktionen von NS1 sind aber bekannt.

NS1 wird im Anschluss; an die Synthese an den Ribosomen in den Zellkern transportiert, um dort seine RNA-bindenden Eigenschaften zu entfalten. Die Folge der NS1-RNA-Wechselwirkungen sind u.a. Störungen bei der Bildung der zellulären mRNA und deren Transport ins Cytoplasma. Der Translationsapparat der Wirtszelle steht somit überwiegend für die Synthese viraler anstatt der zellulären Proteine zur Verfügung. Außerdem werden einige durch Interferone aktivierte antivirale Mechanismen der Wirtszelle behindert.

Die hier erläuterten Abläufe und Zusammenhänge zur Replikation und Transkription des Influenza-Virus-Genoms sind im folgenden Film noch einmal in ihrer Gesamtheit schematisch dargestellt:

Abb.4
Replikation des Influenza-Genoms

Animation der Abläufe und Zusammenhänge bei der Replikation des Influenza-Genoms.

Übung: Influenza - Genom-Replikation

Literatur

(1992): Struktur und Lebenscyclus von Influenza-Viren. In: Biochemie. D. Voet J. Voet G. (Hrsg.). VCH Weinheim , 1030-1031
(1997): Replikation der Orthomyxoviren. In: Molekulare Virologie. S. Modrow D. Falke (Hrsg.). Spektrum Akademischer Verlag , 250-253
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