Herpesviren I. Bettina Kempkes Helmholtz Zentrum München (HMGU)

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1 Herpesviren I Bettina Kempkes Helmholtz Zentrum München (HMGU)

2 Herpesviren: Strukturmerkmale 4. Hüllmembran mit Gykoproteinkomplexen (12-14 Proteine) 3.Tegument (HSV: 23 virale/49 zelluläre Proteine) 2. Kapsid (HSV: 8 virale Kapsid und Kapsid-assoziierte Pr.) 1. lineares Genom DNA Doppelstrang und Coreproteine

3 Strukturmerkmale des Virions Virion Schema intaktes Virion negativ Kontrast Kapsid negativ Kontrast Kapsid Uranylacetat (DNA) Field's Virology 2007 Kapsid Uranylacetat (DNA) und Bleizitrat TEM

4 Herpes Simplex Kapsid T=16 icosahedral structure composed of the major capsid protein hexons (blue) pentons (darker blue) two minor capsid proteins forming triplexes (green). NIAID Collaborative Antiviral Study Group (Whitley, RJ) Hokkanen L, Lounes J. Neuropsychol Rev 10:151, 2000 McGrath N et al. J Neurol Neurosurg Psychiatry 63:321, 1997

5 Herpesviridae Gemeinsamkeiten Strukturmerkmale ds DNA Genom ( kb) Kapsid Tegument Hüllmembran mit Glycoproteinen

6 Herpesviren Lebenszyklus Infektion und Virusreplikation Latenz Reaktivierung Terminologie Latenz/Persistenz: Virus verbleibt dauerhaft im Körper latente Persistenz: Virus-freie Phasen, intermittierende Reaktivierung chronische Persistenz: infektiöse Partikel werden ständig gebildet

7 Herpesviridae: Gemeinsame biologische Merkmale nach Fields: Virology Biologische Merkmale 1. virale Enzyme : DNA Metabolismus (Thymidine Kinase; Thymidylate Synthase; Ribonukleotid Kinase) DNA Synthese (DNA Polymerase, Helikase Prozessierung von Proteinen) 2. Kern: Virale DNA Replikation und Kapsid Assemblierung Zytoplasma: Morphogenese des Virion mit Hülle 3. Virusproduktion führt zum Tod der Zelle 4. Lebenslang: Latenz (zirkuläres Genom) Reaktivierung im natürlichen Wirt ("Das Virus verbleibt (persistiert) im Wirt. Es gibt jedoch Phasen oder infizierte Zellpopulation, in denen das Virus nicht mehr nachgewiesen werden kann.")

8 8 humanpathogene Herpesviren Herpes-Simplex Virus (HSV) 1+2 (HHV 1/2) Varizella-Zoster Virus (VZV) (HHV 3) Epstein-Barr Virus (EBV) (HHV 4) Cytomegalovirus (CMV) (HHV 5) Humanes Herpesvirus 6 A/B (HHV 6) Humanes Herpesvirus 7 (HHV 7) Kaposi Sarkom assoziiertes Herpesvirus (HHV 8)

9 Klassifizierung der humanen Herpesviridae nach biologischen Merkmalen Alphaherpesviren Betaherpesviren Gammaherpesviren Breites Wirtszell- Spektrum Schnelle Replikation Latenz in sensorischen Ganglien Enges Wirtszell- Spektrum Langsame Replikation Riesenzellen Sehr enges Wirtszell- Spektrum Langsame Replikation Latenz in B-Lymphozyten DNA Tumorviren HSV-1 HSV-2 VZV CMV HHV-6 HHV-7 EBV KSHV (HHV-8) Mehr als 200 verschiedene Herpesviren sind bisher aus unterschiedlichen Tierarten (Vertebraten und Invertebraten) isoliert worden. Zoonosen sind nicht beschrieben. c.a. 42 sind sequenziert

10 Phylogenie und Systematik der Herpesvirales Herpesviridae Alloherpesviridae Malacoherpesviridae International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV)

11 Infektion und Virusreplikation (Überblick) RE TGN DE E TGN N Nucleus NM Nuclear Membrane ER Endocytoplasmic Reticulum TGN Trans Golgi Network E Envelopement DE Deenvelopement RE Reenvelopement

12 Eintritt in die Zelle RE TGN DE E TGN Anheftung viraler Glykoproteine an zelluläre Rezeptoren. Danach Fusion der viralen Hüllmembran mit der Zytoplasmamembran. Das virale Capsid tritt in das Cytoplasma ein. (Aber: auch Endozytose möglich)

13 Transport zum Zellkern RE TGN DE E TGN Das (nicht-umhüllte) virale Capsid wandert entlang des Cytoskeletts zu den Kernporen. Die virale DNS wird in den Kern eingeschleust. Das virale Capsid bleibt zurück.

14 DNA Replikation im Zellkern (Latenz oder Lytische Replikation) E DE RE LATENZ oder TGN LYTISCHE REPLIKATION? Das virale Genom zirkularisiert. LATENZ: virus- und gewebespezifische eingeschränkte Genexpression LYTISCHE REPLIKATION: Kaskade TGNder viralen Genexpression immediate early: Transaktivatoren (delayed) early: Enzyme für virale DNA Synthese Lytische Replikation late: Strukturproteine (Kapsid-, Tegument und Hüllproteine) Prozessierung und Verpackung der linearen viralen Genome in Kapside.

15 Morphogenese: Budding (Kernmembran/Envelopment) RE TGN DE E TGN Virale Kapside lagern sich an der Kernlamina an und werden durch die innere Kernmembran geschleusst. Die Virionen sind jetzt umhüllt!

16 Morphogenese De-envelopment/Re-envelopment RE TGN DE E TGN Die umhüllten Virionen werden am ER ins Cytoplasma entlassen (sie verlieren ihre Hülle wieder). Am TGN werden sie erneut umhüllt. Die letzte Hülle enthält gereifte Glykoproteine.

17 Freisetzung der Nachkommenviren RE TGN DE E TGN Die infektiösen Viren werden zur Zelloberfläche transportiert und dort freigesetzt.

18 Herpesviren Genomreplikation: virale DNA-Polymerasen mit Korrekturfunktion Tegument: Nukleäre und Zytoplasmatische Anteile der Wirtszelle im De-envelope/Re-envelope Model Hüllmembran: auch Proteine der Zellmembran der Wirtszelle Klassifizierung lytischer viraler Gene (Infektion/Reaktivierung): immediate early (delayed) early late Transkriptions- DNA Replikation Strukturproteine faktoren Inhibitoren: Proteinsynthese virale DNA Replikation

19 Die ~ "Core Proteine" sind konservierte Proteine, die von allen Herpesviren kodiert werden. Sie sind in Blöcken im Genom angeordnet, deren Anordnung charakteristisch für die drei Herpesviridae sind.

20 Herpesviren: Genomstruktur Herpes-Simplex Virus Cytomegalovirus U: "unique" Virus/Wirt Varicella-Zoster Virus IR: internal repeats TR: terminal repeat Epstein-Barr Virus Humanes Herpesvirus 6 orilyt Humanes Herpesvirus 8/ Karposi-Sarcom Virus orip

21 DNA Replikation TR orip orilyt TR orip orilyt Latente Replikation (EBV u. KSHV/ zell. DNA Polymerase) orip TR orip orip TR TR TR Lytische Replikation virale DNA Polymerase TR TR TR orilyt

22 DNA Replikation Lytische DNA Replikation Replikationsursprung: orilyt virale DNA Polymerase 7 virale Proteine (delayed early) Zellzyklus asynchron Mechanismus: rolling circle Latente DNA Replikation Replikationsursprung: orip zelluläre DNA Polymerase virale Proteine: EBNA-1 (EBV)/LANA (KSHV) Zellzyklus synchron Mechanismus: semi.konservativ, bidirectional orilyt orip EBNA-1 S-Phase: Replikation M-Phase: Segregation

23 orip EBNA-1 Episomale Vektoren Virale Vektoren in der Gentherapie Plasmid (ColE1/AmpR) orip EBNA-1 YGF= Your Favourite Gene Stabile Replikation in Säugetierzellen S-Phase: Replikation M-Phase: Segregation ColE1/AmpR Amplifikation der Plasmide in Bakterien

24 Bacterial artificial chromosomes (BAC) Moderne Herpesvirusgenetik (homologe Rekombination vs. klassische Klonierungsstrategien) bakteriellen Replikationsursprung (F-Plasmid) bakteriellen Selektionsmarker (amp R,tet R ) eukaryonten Selektionsmarker (neo R,hyg R ) Lebendfarbstoff (GFP) ermöglichen die gezielte Mutagenese der viralen Genome und Amplifikation in E.coli

25 Beispiel:EBV -BAC F-Plasmid ori TR tetr/hygr GFP LMP-1 LMP-2 orip EBNA-LP EBNA-1 orilyt neor C B EBNA-3 A

26 Herpesviren Primärinfektion [IgM] [IgG] eingeschränkte Immunität Latenzphase [IgG] Reaktivierung Molekulargenetischer Nachweis der Virus DNA: quantitative PCR zum Nachweis im Serum (häufig nur nach Reaktivierung möglich) [IgG] [IgM] [IgG] Serologischer Nachweis einer Reaktivierung: [IgG] Titeranstieg [IgM] erneut vorhanden

27 Varizella Zoster Durchseuchung: > 95% bei Jährigen (Seroprevalenz) Primäre Zielzellen: Ausbreitung durch mononukleäre Zellen des Blutes 2. Phase: Endothelzellen - Epithelzellen der Haut Latenz in den Neuronen (und Glia/Satellitenzellen) der Spinalganglien Übertragungsmodus: Tröpfcheninfektion pränatal und perinatal Impfung: Attenuierter Lebendimpfstoff

28 Varizella Zoster Primärinfektion Windpocken (Varizellen) Latenzphase eingeschränkte Immunität Alter Gürtelrose (Zoster) Reaktivierung

29 Varizella Zoster Komplikationen im Rahmen von Varizellen Risikogruppen: Seronegative immungeschwächte Erwachsene (AIDS, Transplantation..) Säuglinge seronegativer Mütter seronegative Schwangere (Pneumonie) ungeborene Säuglinge bei Erstinfektion der Mutter in der SW in 1-2 % kongenitales Varizellensyndrom (d.h. 30% Lethalität, neurologische Symptome, Skelettanomalien, Augenschäden)

30 Varizella Zoster Zoster: Endogene Reaktivierung des latenten VZV Risikogruppen: immungeschwächte Bevölkerungsgruppen 20% aller seropositiven älteren Menschen, die Varizellen hatten (und nicht geimpft sind)

31 HHV6 und HHV7 Roseoloviren (ß-Herpesviridae) Durchseuchung: 95% der Bevölkerung im Alter von 2 Jahren Übertragung: Speichel, prä- und perinatal Primärinfektion: i.d. R. asymptomatisch Krankheitsbilder: HHV6B- Drei-Tagefieber (15-25% der schweren fieberhaften Erkrankungen die zu Krankenhauseinwesungen führen) Reaktivierung kann Transplantatabstoßung führen (selten) Immunsupression: Pneumonitis/Enzephalitis

32 Herpes Simplex Virus 1 Primärinfektion Latenzphase UV, Stress eingeschränkte Immunität Reaktivierung

33 Herpes Simplex Virus 1 und 2 HSV1 Herpes labialis, Hornhautendzündungen Hepatiden, HSV2 Herpes genitalis Meningitiden, Herpes neonatorum, Hornhautendzündungen, Erhöhtes Risiko einer HIV Infektion

34 Herpes Simplex Virus 1 und 2 Durchseuchung: >75-95% HSV-1, 15-20% HSV-2 Primäre Zielzellen: Epithelzellen der Mukosa (orofacial/genital) Latenz in regionalen Nervenganglien HSV-1: Neurone der Trigeminusganglien HSV-2: Neurone der Lumbal- und Sakralganglien Übertragungsmodi: - direkter Kontakt (Speichel, Rezidive) - perinatale Übertragung (HSV-2) - Sexualkontakt (HSV-2) Es steht kein Impfstoff zu Verfügung

35 HSV-1 Epithelzelle: Replikation Nervenzelle: Latenz (LAT Expression) Reaktivierung

36 Regulation epigenetischer Veränderungen des Chromatins durch HSV Epithelzelle: Transkriptionell aktives Chromatin des viralen Genoms Nervenzelle: Transkriptionell inaktiviertes Chromatin des viralen Genoms Knipe and Cliffe 2008

37 Reifungsstadien einer mirna aus Pri-miRNA und Pre-miRNA Nature Biotechnology 26, (2008) Stefanie S Jeffrey Craig Mello und Andrew Fire Nobelpreis 2006

38 Herpesviren exprimieren mirnas mir-lat 1-6 kind gift by Rolf Renne

39 Die LAT RNA ist die einzige RNA in den sensorischen Ganglien Sie kodiert nicht für Protein sondern für mirnas Ausschnitt aus dem HSV-1 Genom: Jennifer Lin Umbach, Martha F. Kramer, Igor Jurak, Heather W. Karnowski, Donald M. Coen & Bryan R. Cullen Nature 454, (7 August 2008)

40 Die LAT RNA ist ein mirna Vorläufer (pri-mirna), der für 4 mirnas kodiert mirna Pre-miRNA

41 mir-h2 ist komplementär zu dem immediate early Gen ICP0 und hemmt dessen Translation Protein RNA

42 Cytomegalievirus (CMV) Durchseuchung: Deutschland 50% (sozioökonomische USA/Kanada 80% Unterschiede) Afrika % Latenz in Monozyten/Granulozyten(?) Übertragungsmodi: - direkter Kontakt (Speichel) - pränatal und perinatal - Blut & Blutprodukte - Organtransplantation Riesenzellen/ Eulenaugenzellen

43 CMV Primärinfektion bei immundefizienten AIDS-Patienten bei immundefizienten Transplantationspatienten konnatale CMV Infektion i.d.r. ohne Symptome (Mononukleose) CMV Retinitis Pneumonie Gastroenteritis, Colitis Enzephalitis Abstoßungsreaktion Pneumonie Hepatitis Fehlbildungen von Organsystemen Chorioretinitis Encephalitis (geistige Behinderung)

44 Epstein-Barr Virus (EBV) Primärinfektion Symptomlos oder Pfeiffersches Drüsenfieber Infektiöse Mononukleose Kissing Disease Latenzphase Immunsupression HIV Infektion Immune surveillance Reaktivierung Tumoren: u.a. Post-Transplantlymphome

45 B-Zellaktivierung und Differenzierung Tonsille Lymphknoten Aktivierung der naiven B-Zelle Proliferation Antigenkontakt und T-Zellhilfe Differenzierung zur Keimzentrums B-Zelle Proliferation Hypermutation Class Switch Plasmazelle Selektion Differenzierung zur Gedächtnis B-Zelle Gedächtnis B-Zelle

46 Der Lebenszyklus des EBV (Pathogenese) Post-transplant Lymphom AIDS latente assoziierte Replikation B-Zelllymphome Hodgkin Lymphom latente Replikation Burkitt Lymphom Latenzphasen assoziiert mit Proliferation! Infektion der primären naiven B-Zelle Differenzierung zum aktivierten Lymphoblasten Proliferation orip Differenzierung zur Keimzentrums B-Zelle orip Differenzierung zur Gedächtnis B-Zelle Tonsille lytische Replikation orilyt Plasmazelle Schrittweise Abschaltung der viralen Genexpression! Gedächtnis B-Zelle Virus Reservoir: Periphere B-Zelle

47 EBV Durchseuchung >95% Primäre Zielzellen: B-Lymphozyten Latenz in den Gedächtnis B-Zellen Übertragungsmodus: - Tröpfcheninfektion

48 EBV assoziierte Tumoren Burkitt s Lymphoma Morbus Hodgkin EBV assoz. 40% Westl. Welt 90% Südamerika Post-Transplant Lymphome AIDS assoziierte Lymphome Nasopharynx Karzinome lymphoepitheliale Magenkarzinom (Autoimmune Erkrankungen) Reed Sternberg Zelle

49

50 Disease Association 1. Infectious Mononucleosis 2. Burkitt's lymphoma 3. Nasopharyngeal carcinoma 4. Lymphoproliferative disease and lymphoma in the immunosuppressed. 5. X-linked lymphoproliferative syndrome 6. Chronic infectious mononucleosis 7. Oral leukoplakia in AIDS patients 8. Chronic interstitial pneumonitis in AIDS patients.

51 Epstein-Barr Virus Burkitt Lymphom (Dennis Burkitt 1958) zytogenetische Marker: reziproke Translokation Chr.8 und Chr.14 oder Chr.2, 22 Chr. 8 c-myc Proto-onkogen (Transkriptionfaktor) Chr. 2, 22 und 14 Immunglobulin (Starke Enhancer der Transkription) endemische Burkitt sporadische Burkitt 95% EBV assoziiert 20% EBV assoziiert

52 ruhende B-Zelle Epstein-Barr Virus Die multifaktorielle Entstehung des endemischen Burkitt Lymphoms EBV Infektion Polyklonale B-Zellaktivierung Malaria Infektion Polyklonale B-Zellaktivierung Keimzentrumsreaktion Sekundäre genetische Ereignisse Hypermutation Switching Chromosomale Translokation Aktivierung des c-myc Gens

53 Kaposi s sarcoma is associated with a new human Herpesvirus KSHV/HHV Moore and Chang

54 KSHV (Kaposi-Sarkom assoziiertes Herpesvirus) Durchseuchung: Deutschland 2-3% Mittelmeerländer 10-50% Zentralafrika >50% Primäre Zielzellen und Ort der Latenz in immunkompetenten Menschen ist umstritten Kaposi Patienten: Latente Infektion in B-Lymphozyten des perpheren Blutes, Endothelzellen, Monozyten, Keratinozyten im Bereich der Läsionen des Kaposi Übertragungsmodi: - direkter Kontakt (Speichel) - Sexualkontakt - Blut und Blutprodukte

55 Kaposi Sarkom Inzidenz und Seroprevalenz von KSHV korrelieren. Die HAART Therapie zur Behandlung von HIV hat zu einem deutlichen Rückgang der Inzidenz von AIDS assoziierten Kaposi Sarkomen geführt.

56 Histopathologie: Zentrale proliferierende Zelle ist die KSHV infizierte Spindelzelle abberante Blutgefäßbildung mit Austritt von Zellen aus den Gefäßen Verfärbung des Gewebes durch Hämisiderin Einlagerung Endzündungsreaktion mit infiltierenden Zellen Tom Hanks in Philadelphia

57 KSHV-Klinik Primärinfektion: asymptomatisch/selten Fieber und Exantheme Maligne Erkrankungen Kaposi Sarkom (Endothelzellen) klassische KS Häufig Männer im Alter > 60 Jahren endemisch KS regional Afrika iatrogen (= medikamentös z. Bsp nach Immunsuppression) AIDS- assoziiert Primäres Effusionslymphom (B-Zellen, häufig HIV Patienten, sehr selten) Morbus Castleman (B-Zellen, häufig HIV Patienten, sehr selten) Ausserdem: Knochenmarksversagen nach Knochenmark-Transplantation

58 Herpesviren Vorlesung Virologie Vorlesung LMU (Medizinische Fakultät) Molekulare Virologie Modrow/ Falke/Truyen 2. Auflage (2003) Fields Virology Band 2 4. Auflage (2007) PD Dr. Bettina Kempkes Hämotologikum Helmholtz Zentrum München Marchioninistr München (Großhadern) Kempkes@helmholtz-muenchen.de