Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie (IMVZ)

Bearbeitete Erreger

• hochpathogene Zoonose-Viren, insbesondere Filoviren und Arenaviren

Forschungsschwerpunkte

Das Labor für Integrative Zell- und Infektionsbiologie studiert Virus-Wirtszell-Interaktionen von hochpathogenen zoonotischen Viren, um besser zu verstehen, wie diese Interaktionen Virus-Infektionen unterstützen oder behindern, und wie sie den Ausgang einer Infektion beeinflussen. Diese Arbeiten zielen darauf ab, Pathogenitätsdeterminanten zu verstehen, und pro- und antivirale Virus-Wirtszell-Interaktionen zu charakterisieren, um diese als therapeutische Ziele einsetzen zu können. Diese Grundlagen sollen langfristig die Entwicklung breit wirkender Medikamente, welche gegen bereits bekannte wie auch gegen neu auftretende Viren wirksam sind, ermöglichen, und es uns erlauben, das Pathogenitätspotential neu auftretender Viren schnell und faktenbasiert einschätzen zu können.

Von besonderem Interesse sind hierbei Filoviren (insbesondere Ebola-, Marburg- und Cuevaviren) und hochpathogene Arenaviren (insbesondere Lassa- und Junínviren). Bei diesen Viren handelt es sich um Zoonose-Erreger, welche von Wirtstieren auf den Menschen übertragen werden, und dann hämorrhagische Fieber und neurologische Erkrankungen mit zum Teil sehr hohen Sterblichkeitsraten hervorrufen können. Infektiöse Arbeiten mit diesen Viren werden daher im Hochsicherheitslabor der Sicherheitsstufe S4 Zoonosen des FLI bearbeitet. Darüber hinaus haben wir eine Reihe von sogenannten Life-Cycle-Modelling-Systemen entwickelt, welche es erlauben, den Replikationszyklus von solchen hochpathogenen Viren auch außerhalb von Hochsicherheitslaboren sicher zu untersuchen, und die sich besonders für die Verwendung in Hochdurchsatzverfahren wie z.B. siRNA-Screens eignen. Neben Arbeiten an hochpathogenen zoonotischen Viren kooperieren wir mit anderen Laboren des Instituts für Molekulare Virologie und Zellbiologie, um Virus-Wirtszell-Interaktionen auch im Kontext anderer Zoonose- und Tierseuchenerregern zu untersuchen.

Ein methodischer Schwerpunkt des Labors liegt auf der Herstellung rekombinanter Viren mittels reverser Genetik, welche wir gemeinsam mit Life-Cycle-Modelling-Systemen nutzen, um einzelne Virus-Wirtszell-Interaktionen genauer zu studieren. Hierbei kommt ein breites Spektrum an virologischen, molekularbiologischen und zellbiologischen Methoden wie z.B. Crispr/Cas9, konfokale Lebendzellmikroskopie, Mutationsanalysen und CoIP-Verfahren zum Einsatz. Darüber hinaus werden in Kooperation mit anderen Laboren des Instituts für Molekulare Virologie und Zellbiologie auch moderne massenspektrometrische Ansätze verfolgt.

Untersuchungen zur Biologie von viralen Einschlusskörperchen

In infizierten Zellen reichern sich oftmals virale Proteine in Strukturen an, die als Einschlusskörperchen bezeichnet werden. Diese spielen unter anderem auch bei Filo- und Arenaviren wichtige Rollen bei der Vermehrung viraler Genome und deren Umschreibung in Boten-RNAs, sowie beim Zusammenbau von Virus-Nukleokapsiden. Allerdings sind die Prinzipien, die der Entstehung und Organisation von Einschlusskörperchen bei diesen Viren zugrunde liegen, unbekannt. Für andere Negativstrang-RNA-Viren konnte jedoch gezeigt werden, dass Einschlusskörperchen oftmals Eigenschaften von sogenannten flüssigen Organellen haben, also intrazellulären Strukturen, die nicht durch umschließende Membranen definiert sind, sondern durch Phasentrennung zusammengehalten werden.

In einem zum Teil von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt untersuchen wir daher, ob auch filovirale und arenavirale Einschlusskörperchen Eigenschaften flüssiger Organellen aufweisen, und welche Mechanismen zu ihrer Bildung beitragen. Weiterhin untersuchen wir, inwieweit Phasentrennung zum Export von Nukleokapsiden aus Einschlusskörperchen beiträgt. Für diese Studien kombinieren wir moderne Lebendzellmikroskopie-Verfahren unter S4-Bedingungen mit rekombinanten, Reporter-exprimierenden Filo- und Arenaviren. Letztlich zielen diese Studien darauf ab, Gemeinsamkeiten zwischen Negativstrang-RNA-Viren aufzudecken, und Informationen über molekulare Ziele für antivirale Medikamente zu liefern, die gegen einen wesentlichen Aspekt im Replikationszyklus dieser Viren gerichtet sind.

Charakterisierung der Rolle von Wirtszellfaktoren im Replikationszyklus von RNA-Viren

Als intrazelluläre Parasiten sind Viren für eine erfolgreiche Replikation auf Wirtszellproteine angewiesen. Die Interaktionen viraler Faktoren mit Wirtszellproteinen stellen dabei interessante Angriffsziele für Therapeutika dar, da es für Viren schwerer ist, gegen solche Therapeutika Resistenzen zu entwickeln, als gegen solche, die sich direkt und ausschließlich gegen virale Faktoren richten. Außerdem werden Interaktionen bzw. bestimmte Wirtsfaktoren häufig von verschiedenen Viren genutzt, so dass hiergegen gerichtete Therapeutika oft ein breiteres Wirkungsspektrum haben als klassische, direkt wirkende antivirale Therapien.

Neben der reinen Identifizierung solcher Virus-Wirts-Interaktionen, welche wir mittels Hochdurchsatzverfahren betreiben, bemühen wir uns auch um ein genaueres Verständnis dieser Interaktionen, um Angriffspunkte für Therapien bestimmen zu können. In einem zum Teil von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt befassen wir uns hierfür insbesondere mit Wirtsfaktoren, die eine Rolle bei der viralen Genom-Replikation und Transkription spielen. Dabei werden zum einen auf biochemischer Ebene Interaktionen zwischen diesen zellulären Proteinen und viralen Faktoren genauer charakterisiert, und zum anderen auf funktioneller Ebene die genaue Rolle der Wirtsproteine im viralen Replikationszyklus untersucht. Hierbei kommen sowohl Life-Cycle-Modelling-Systeme als auch rekombinante Viren zum Einsatz. Im Rahmen dieser Studien konnten wir beispielsweise zeigen, dass das Wirtsprotein NXF1 eine wichtige Rolle bei dem Export viraler mRNAs aus Einschlusskörperchen vermittelt (Abbildung 1), was wir derzeit genauer untersuchen.

Abbildung 1: Modell für die Funktion von NXF1 im Replikationszyklus von Filoviren

Charakterisierung neuartiger Filoviren

Obwohl die meisten Ausbrüche von Filovirus-Erkrankungen durch einige seit langem bekannte Filoviren wie dem Ebola-Virus oder dem Marburg-Virus verursacht werden, sind in den letzten Jahren immer wieder neuartige Filoviren gefunden worden, deren Pathogenitätspotential unklar ist. Hierzu zählen insbesondere das Lloviu-Virus, welches in Fledermäusen in Spanien und Ungarn nachgewiesen wurde, sowie das Bombali-Virus, welches in Westafrika gefunden wurde. Unser Labor charakterisiert diese neuartigen Viren mittels Life-Cycle-Modelling-Systemen, und versucht durch den Vergleich mit bekannten pathogenen und apathogenen Filoviren zu verstehen, ob von diesen neuartigen Filoviren ein Gesundheitsrisiko ausgeht. Darüber hinaus untersuchen wir, welche viralen und Wirtsfaktoren verantwortlich dafür sind, dass einige Filoviren (wie z.B. das Ebola-Virus) für Menschen hochpathogen sind, während andere (wie z.B. das Reston-Virus) im Menschen keine Erkrankung verursachen. Diese Arbeiten sollen dazu beitragen, in Zukunft bei neuauftretenden Filoviren schnelle und faktenbasierte Risikoeinschätzungen abgeben zu können.