Zecken-Flavivirus Strukturen und Maturationsmechanismen

Mehrere durch Arthropoden übertragene Flaviviren sind bedeutende Krankheitserreger des Menschen, die in verschiedenen Teilen der Welt ein großes gesundheitspolitisches Problem darstellen und das Potential besitzen, sich in bisher nicht betroffenen Regionen auszubreiten. Die meisten davon vor allem jene in tropischen und subtropischen Ländern werden durch Stechmücken übertragen, wie zum Beispiel die Erreger von Gelbfieber, Dengue, Japanischer Enzephalitis und West Nil Fieber. Das Frühsommermeningoenzephalitis (FSME) Virus hingegen kommt in vielen Teilen Europas, Zentral- und Ostasiens vor und zirkuliert in Naturherden zwischen Zecken und Kleinsäugern. Obwohl es als RNA Virus eine hohe Mutationsfrequenz besitzt, ist das FSME Virus unter natürlichen ökologischen Bedingungen sehr stabil, höchstwahrscheinlich aufgrund einer optimalen Anpassung an seine spezifische ökologische Nische, die raschen Veränderungen entgegenwirkt. Information über die Struktur von reifen und unreifen Flavivirus Partikeln sowie deren Zwischenformen existieren derzeit nur für durch Stechmücken übertragene Viren, insbesondere für den Dengue Serotyp 2. Es gibt jedoch mehrere Indizien dafür, dass sich durch Zecken übertragene Flaviviren in spezifischen Aspekten ihrer Partikelstruktur davon unterscheiden sowie auch in der Kontrolle jener Konformationsänderungen, die durch sauren pH in intrazellulären Kompartimenten ausgelöst (getriggert) werden und für die Virusmaturation und/oder das Eindringen in Zellen erforderlich sind. Ein Hauptziel dieses Projektantrags ist daher, neue Information zur Struktur des FSME Virus zu generieren, insbesondere betreffend die Organisation der Proteine in unreifen und reifen FSME Viruspartikeln sowie deren Zwischenformen, und eine hochauflösende Struktur des Membranprotein Komplexes in unreifen Viren zu erhalten. Dieser Teil des Projekts baut auf eine etablierte Kollaboration mit exzellenten Strukturbiologen (Felix Rey, Institut Pasteur, Paris, für die kristallographische Strukturbestimmung und Jean Lepault, CNRS, Gif-sur-Yvette, für Cryo- Elektronenmikroskopie), die bereits bei vergangenen Projekten äußerst erfolgreich war. In einem weiteren Teil des Projekts sollen molekulare pH-Sensoren untersucht werden, die für getriggerte Strukturveränderungen bei Virusmaturation und/oder Eindringen in die Zelle von Bedeutung sind, sich aber bei durch Stechmücken und durch Zecken übertragenen Flaviviren unterscheiden. Insgesamt werden die Ergebnisse dieses Projekts neue Einsichten in die Struktur und Funktion eines wichtigen humanpathogenen Erregers liefern und Rückschlüsse über Wirts-spezifische Adaptierungen ermöglichen. Durch dieses Projekt wird auch Information zu den potentiell dem Immunsystem präsentierten Strukturen des FSME Virus entstehen, die von direkter Relevanz für die Entwicklung neuer Impfstoffkandidaten sein kann. Erkenntnisse betreffend die molekularen Details des Virus Maturationsprozesses können zu neuen Ansatzpunkten für die gezielte Entwicklung antiviraler Agenzien führen.

Viren sind kleine, nicht-lebende molekulare Strukturen, die in lebende Zellen eindringen und diese für ihre eigene Reproduktion parasitieren können. Der Infektionsprozess führt zur Freisetzung neu produzierter Viruspartikel mit der Kompetenz, weitere Zellen zu befallen. Wichtige Phasen des viralen Vermehrungszyklus sind von strukturellen Veränderungen in Virusproteinen abhängig, die Kontrollmechanismen erfordern um sicherzustellen, dass die Viruspartikel beim Eindringen in eine Zelle desintegrieren aber beim Zusammenbau und der Ausschleusung aus Zellen stabil sind. In unserem Projekt haben wir diese wichtigen Aspekte der Virus-Biologie im Gebiet der Flaviviren erforscht. Diese Gruppe von Viren umfasst zahlreiche wichtige humanpathogene Erreger, die entweder durch Stechmücken (Gelbfieber, Dengue, Zika, West Nil Viren) oder durch Zecken (Frühsommermeningoenzephalitis - FSME-Virus) auf den Menschen übertragen werden. Bei Flaviviren werden die erforderlichen strukturellen Veränderungen im Lebenszyklus durch den sauren pH-Wert in bestimmten zellulären Kompartimenten kontrolliert, die das Virus beim Eindringen in eine Zelle bzw. bei seiner Ausschleusung passieren muss. Durch die Kombination von Röntgen-Kristallographie und Mutationsanalysen der Hüllproteine des FSME-Virus haben wir neue Informationen über die atomaren Details jener Prozesse gewonnen, mit denen Flaviviren ihre strukturelle Integrität bei Zusammenbau und Ausschleusung wahren, aber gleichzeitig jene molekularen Maschinen generieren, die eine Infektion neuer Zellen ermöglichen. Unsere Ergebnisse füllen eine bedeutende Lücke in unserem Verständnis der Biologie der Flaviviren (auch von Unterschieden zwischen durch Stechmücken und Zecken übertragenen Viren) und zeigen neue molekulare Ansatzpunkte für die Entwicklung antiviraler Substanzen auf.