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4.3 - Grippe - Lebenszyklus des Influenza-Virus

Lebenszyklus des Influenza-Virus im Detail – Bildung und Verteilung der Virus-Proteine, Assemblierung neuer M1-RNP-Kerne und Abschnürung (Budding) neuer Virus-Partikel

Im Anschluss an die Transkription und die posttranskriptionalen Modifikationen wird die virale mRNA ins Cytoplasma transportiert, wo sie an den Ribosomen der Wirtszelle in die viralen Proteine translatiert wird. Nachdem die virale mRNA im Zellkern u.a. durch das Anhängen der Cap-Struktur in geeigneter Weise vorbereitet worden ist, kann die Translation nun nach den üblichen zellulären Mechanismen und mit Hilfe zellulärer tRNA (Transfer-RNA) ablaufen.

Entsprechend ihrer späteren Lokalisation im Virus und ihrer Funktionen im weiteren Verlauf des Lebenszyklus wandern die Virus-Proteine nach ihrer Synthese zu verschiedenen Orten der Wirtszelle. Die Verteilung der Virus-Proteine Hämagglutinin (HA), Matrixprotein (M1) und Nucleocapsid-Protein (NP) und deren zeitlicher Verlauf ist mit immunofluoreszenzmikroskopischen Methoden recht genau untersucht worden.

Abb.1
Schematische Zeichnung eines Influenza-Virus inklusive der Lokalisation der Virus-Proteine

Etwa 30 Minuten nach der Infektion, also ca. 10 Minuten nach Beginn der Synthese der viralen mRNA, werden die ersten Virus-Proteine produziert. Von den drei untersuchten Proteinen HA, M1 und NP wird zunächst nur NP gebildet. Da NP zunächst ausschließlich im Zellkern detektiert werden kann, wird es nach der Translation offenbar schnell durch einen aktiven Prozess in den Zellkern transportiert. Die Synthese der Proteine M1 und HA beginnt erst ca. 2-2,5 h nach der Infektion.

HA ist im Folgenden, wie von einem Membranprotein erwartet, nur im endoplasmatischen Retikulum, im Golgi-Apparat und an der Zelloberfläche (Zellmembran) nachweisbar, es wird also nicht in den Zellkern transportiert. M1 verteilt sich hingegen sowohl im Cytoplasma als auch im Zellkern. Dieses geschieht offensichtlich nicht durch aktive Transportprozesse, sondern durch Diffusion, wobei die Kernporen für das relative kleine M1 bzw. für das M1-Monomer genügend groß zu sein scheinen. Bereits kurze Zeit nach Beginn der M1-Synthese ist NP auch im Cytoplasma detektierbar, was auf eine Abhängigkeit des NP-Transports ins Cytoplasma von M1 hindeutet.

Aufgrund dieser und anderer experimenteller Ergebnisse nimmt man folgenden weiteren Verlauf des Lebenszyklus des Influenza-Virus an (Film s.u.):

  1. Zunächst werden die Proteine NP, PA, PB1 und PB2 synthetisiert und unterliegen anschließend einem durch entsprechende Signalsequenzen induzierten aktiven Transport in den Zellkern.
  2. Dort werden sie mit der inzwischen gebildeten neuen vRNA zu neuen RNP-Kernen zusammengesetzt. Über den Mechanismus und die Steuerung dieses Prozesses ist bisher nur wenig bekannt. Insbesondere ist es nach wie vor rätselhaft wie sichergestellt wird, dass in jeden RNP-Kern der richtige Satz der acht einzelnen RNA-Stränge eingebaut wird. Parallel dazu dürften auch die NS-Proteine gebildet werden und ihre zum Teil im vorhergehenden Kapitel beschriebenen Wirkungen entfalten (im Film nicht dargestellt).
  3. Nach einiger Zeit (s.o.) beginnt die Synthese der Matrix-Proteine und M1 erreicht durch Diffusion auch den Zellkern.
  4. Dort bildet es aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkungen mit der vRNA der RNP-Kerne relativ schnell die Hülle um die RNP-Kerne.
  5. Die so umhüllten RNP-Kerne werden durch die Kernmembran ins Cytoplasma transportiert und wandern zur Zellmembran.
  6. Annähernd parallel zur Synthese der Matrix-Proteine hat auch die Bildung der Virusmembran-Proteine Hämagglutinin (HA) und Neuraminidase (NA) durch Ribosomen am rauen endoplasmatischen Retikulum (RER) begonnen. HA und NA werden nach posttranslationalen Modifizierungen (z.B. Glycosylierungen) im endoplasmatischen Retikulum (ER) und in Dictyosomen des Golgi-Apparates (im Film nicht dargestellt), vermutlich in clathrinumhüllten Vesikeln, zur Zellmembran transportiert, in die sie in großer Zahl eingebaut werden.
  7. Wenn nun ein neuer M1-umhüllter RNP-Kern die Zellmembran erreicht, treten die M1-Moleküle sowohl mit der Lipiddoppelschicht als auch mit den cytoplasmatischen Domänen von HA und NA in bindende Wechselwirkung. Dieses führt neben einer Anreicherung von HA und NA in diesem Membranbereich schließlich zu einer Umhüllung des M1-RNP-Kerns mit der Zellmembran.
  8. Das Resultat dieses Prozesses ist die Abschnürung (engl. budding) eines neuen Virus-Partikels aus der Wirtszelle.

Der folgende Film verdeutlicht noch einmal die in den Punkten 1. bis 8. erläuterten Vorgänge:

Abb.2
Bildung neuer Influenza-Viren

Der Film zeigt die Vorgänge bei der Bildung und Verteilung der Virus-Proteine, Assemblierung neuer M1-RNP-Kerne und Abschnürung (budding) neuer Viruspartikel.

Die Membran der neuen Virus-Partikel enthält neben HA noch einige Oberflächenrezeptoren der ehemaligen Wirtszelle, so dass es zum Verklumpen der neugebildeten Influenza-Viren untereinander kommen müsste. Es ist Aufgabe der Neuraminidase, dieses Verklumpen zu verhindern, indem sie die Sialinsäure-Reste von diesen Rezeptoren abspaltet.

Nun können sich die Viren auf den Weg zu neuen Wirtszellen begeben, wodurch sich der Lebenszyklus schließt.

Der Tod der Wirtszelle tritt schließlich nicht durch Lyse (Auflösung) ein, sondern ist eine Folge der Unterdrückung einiger normaler Stoffwechselvorgänge der Zelle wie z.B. der Synthese der zellulären Proteine. Bevor sie schließlich abstirbt, hat allerdings jede Wirtszelle zur Produktion von bis zu 100.000 (!) neuer Influenza-Viren beigetragen.

Übung: Influenza - Virusproteine

Literatur

Martin, K.; Helenius, A. (1991): Nuclear Transport of Influenza Virus Ribonucleoproteins: The Viral Matrix Protein (M1) Promotes Export and Inhibits Import. In: Cell. 67 , 117-130
(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
Lange, W. (2000): Virologie und Epidemiologie - Pathogenese: Verlust des Atemwegsepithels entscheidend. In: Influenza - neue diagnostische und therapeutische Chancen. G. Vogel W. Lange (Hrsg.). Georg Thieme Verlag , 7-8
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