Form follows function: Zusammenbau und Reifung des humanen Immundefizienz-Virus

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1 VIROLOGISCHES INSTITUT KLINISCHE UND MOLEKULARE VIROLOGIE NATIONALES REFERENZZENTRUM FÜR RETROVIREN UNIVERSITÄTSKLINIKUM ERLANGEN Für den Inhalt der Artikel sind die Autoren allein verantwortlich NEUES AUS DER HIV-GRUNDLAGENFORSCHUNG Ziel dieses Bulletins ist es, Ärzte, Gesundheitsbehörden und Patienten über aktuelle wissenschaftliche und klinische Themen aus dem Bereich der Retroviren zu informieren. Viermal im Jahr wird in kurzer Form der aktuelle Forschungsstand zu verschiedenen Themen wiedergegeben. Für Verbesserungsvorschläge und Anregungen sind wir sehr dankbar. Die Redaktion NEUES AUS DER HIV- GRUNDLAGENFORSCHUNG KLINIK UND FORSCHUNG Form follows function: Zusammenbau und Reifung des humanen Immundefizienz-Virus PD Dr. rer. nat. Barbara Müller und Prof. Dr. med. Hans-Georg Kräusslich, Heidelberg Immunpathogenese von AIDS welche Rolle spielen Typ I-Interferone? PD Dr. med. Barbara Schmidt, Erlangen Intrazelluläre Restriktionsfaktoren mit alten und neuen Freunden gegen Retroviren Prof. Dr. rer. nat. Thomas Gramberg, Erlangen KLINIK UND FORSCHUNG Form follows function: Zusammenbau und Reifung des humanen Immundefizienz-Virus Das Gag-Polyprotein: Hauptakteur der HIV-Morphogenese Die Partikelmorphogenese (Abb. 1) ist der letzte Schritt der HIV-Replikation. Neu synthetisierte Virusbestandteile lagern sich an der Innenseite der Plasmamembran infizierter Zellen zu sphärischen Virusknospen zusammen, die sich durch Abschnürung der umhüllenden Lipidmembran von der Zelle lösen. Das virale Polyprotein Gag ist für diesen Prozess von zentraler Bedeutung (Ganser-Pornillos et al., Curr Opin Struct Biol 2008). Es gelangt über noch nicht vollständig charakterisierte Transportwege zur Membran und kann dort selbst in Abwesenheit anderer Viruskomponenten virusähnliche Partikel bilden. Gag bringt weitere essentielle Virusbestandteile, wie das Hüllprotein Env, die viralen Enzyme und die genomische RNA zur Knospungsstelle und rekrutiert außerdem Teile der zellulären ESCRT (Endosomal Complex Required for Transport)-Maschinerie, die für die Virusfreisetzung benötigt werden (Bieniasz, Virology 2006). Die rund Gag-Moleküle machen etwa die Hälfte der Gesamtmasse des Viruspartikels aus; Gag- Untereinheiten verpacken und schützen die genetische Information von HIV. Für die Organisation dieser komplexen Vorgänge muss Gag mit Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden in zeitlich und räumlich koordinierter Abfolge interagieren. Dabei hilft der modulare Aufbau des Proteins: es enthält ei- ne Membranbindungsdomäne (Matrix, MA), eine Multimerisierungsdomäne (Kapsid, CA), eine nukleinsäurebindende Domäne (Nucleokapsid, NC) und eine Domäne zur Rekrutierung zellulärer Faktoren (p6) (Abb. 2). Zwei Spacer-Peptide, SP1 und SP2, trennen die Domänen voneinander und verleihen dem Molekül Flexibilität und Regulierbarkeit, die für die erfolgreiche Partikelbildung wichtig sind. Das Zusammenspiel der verschiedenen Domänen steuert die Assemblierung. Anschließend durchlaufen die Viren einen Reifungsprozess, bei dem die virale Protease (PR) das Gag-Polyprotein in seine funktionellen Untereinheiten spaltet und sich die Virusarchitektur dramatisch verändert. Nur reife HI-Viren im Elektronenmikroskop am konusförmigen Kapsid zu erkennen (siehe Abb. 1) sind infektiös. Die proteolytische Prozessierung muss ebenfalls exakt reguliert werden, damit die freigesetzten Gag-Untereinheiten innerhalb des winzigen Viruspartikels auf engstem Raum die komplexe Struktur des reifen Virions aufbauen können. Von der Virusknospe zum freien Viruspartikel Elektronenmikroskopische Untersuchungen haben nicht nur Einblicke in die HIV-Partikelbildung und -architektur, sondern auch Hinweise auf den Mechanismus der morphologischen Reifung gegeben (Briggs und Kräusslich, A C B Abb. 1: Stadien der HIV-Morphogenese. Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt: A eine frühe Virusknospe, B ein unreifes und C ein reifes Virion an der Plasmamembran einer HIV-1- infizierten T-Zelle (Dünnschnitt- Elektronenmikroskopie: Sonja Welsch). 200 nm

2 J Mol Biol 2011). Grundelement der unreifen Gag-Hülle und des reifen Kapsids ist jeweils ein Hexamer der CA-Domäne; die Struktur»unreifer«und»reifer«Hexamere ist jedoch nicht identisch. In der Virusknospe und im unreifen Partikel sind Gag-Moleküle an der Innenseite der Plasmamembran parallel zueinander angeordnet. Die MA-Domäne verankert den Molekülverbund an der Membran, Zusammenhalt vermitteln die C-terminale Domäne von CA sowie die NC-Domäne, über die viele Gag-Moleküle gemeinsam an die virale RNA binden. Ein regelmäßiges Gitter aus Gag-Hexameren wäre flach, in der Virusknospe finden sich jedoch kleine unregelmäßige Lücken, die eine Wölbung nach außen ermöglichen. Die Tatsache, dass die Gag-Hülle nur etwa 2/3 der Lipidhülle auskleidet, spricht dafür, dass parallel zur Gag-Assemblierung eine aktive Abschnürung der Virusknospe vermittelt durch die zelluläre ESCRT-Maschinerie stattfindet (Carlson et al., Cell Host Microbe 2008). ESCRT besteht aus vier Proteinkomplexen (ESCRT-0 bis -III) und assoziierten Proteinen. ESCRT katalysiert verschiedene zelluläre Membran- Abschnürungsprozesse, z.b. bei der Bildung endosomaler Vesikel oder während der Zellteilung. Teile dieser Maschinerie werden von HIV und einigen anderen umhüllten Viren für die Partikelfreisetzung rekrutiert (Bieniasz, Virology 2006), die genaue Funktion der ESCRT- Komponenten und der Mechanismus der Membranabschnürung sind aber noch nicht bekannt. Fluoreszenzmarkierte HIV-Derivate erlauben es, Gag-Assemblierung und Rekrutierung von RNA und ESCRT-Komponenten zur Knospungsstelle mit Lebendmikroskopie zu verfolgen (z.b. Jouvenet et al., Nat Cell Biol 2011; Baumgärtel et al., Nat Cell Biol 2011). A NH 2 C MA CA NC p6 COOH Matrix Kapsid B Nukleokapsid Membranbindung Multimerisierung Nukleinsäurebindung, Multimerisierung Rekrutierung der ESCRT-Maschinerie Abb. 2: Das HIV-1-Gag- Protein: A Aufbau von HIV-1-Gag. Die Pfeilspitzen zeigen Erkennungsstellen für die HIV-1-Protease, die Größe der Pfeile weist auf unterschiedliche Prozessierungsraten in vitro hin. B Die Untereinheiten des Gag-Polyproteins bilden separat gefaltete Domänen mit unterschiedlicher Funktion. C Schematische Darstellung der Gag-Untereinheiten im reifen HI-Viruspartikel. Zusammen mit biochemischen und strukturellen Daten ergibt sich daraus ein Modell (Abb. 3): Zwei Moleküle genomische HIV-RNA binden im Inneren der Zelle an einige Gag- Moleküle und werden anschließend über die MA-Domänen an der Innenseite der Plasmamembran verankert. Dieser Komplex dient als Andockstelle für weitere Gag-Moleküle, die in etwa 10 Minuten zum Partikel assemblieren. Parallel werden Komponenten des ESCRT-I- Komplexes über die p6-domäne an die Knospungsstelle gebracht; diese vermitteln schließlich die transiente Rekrutierung von ESCRT-III und der ATPase VPS4, die gemeinsam das Abschnüren der Virusmembran von der Zelle katalysieren. Dieser Zeitverlauf weist ebenfalls darauf hin, dass Gag und ESCRT bei Membrankrümmung und -abschnürung zusammenarbeiten. Im Zusammenspiel mit der Partikelfreisetzung findet die proteolytische Reifung statt. Erstaunlicherweise ist bis heute nicht bekannt, wie dieser Vorgang ausgelöst wird. Die Spaltung an den 5 Protease-Schnittstellen in Gag erfolgt dabei nicht zufällig, sondern in einer geordneten Reihenfolge (Briggs und Kräusslich, J Mol Biol 2011). Die Schnittstellen haben unterschiedliche Aminosäuresequenzen, die in vitro mit sehr unterschiedlicher Effizienz von der HIV-Protease gespalten werden (Abb. 2). Blockiert man die Spaltung an einzelnen Stellen durch Mutagenese, wird die HIV-Partikelreifung insgesamt gestört und die Infektiosität beeinträchtigt. Aus biochemischen und strukturellen Untersuchungen kann ein Modell des Reifungsprozesses abgeleitet werden (Abb. 4): Zuerst wird durch Proteolyse am N-Terminus von NC der virale Nukleoproteinkomplex vom membrangebundenen N- terminalen Gag-Anteil abgelöst und kann in der Folge kondensiert werden. Die Spaltung zwischen MA und CA bewirkt die Trennung des CA-Verbandes von der Membran. Schließlich muss noch die konusförmige CA-Hülle um den Nukleoproteinkomplex aufgebaut werden. Cryo-elektronenmikroskopische Untersu- RNA ESCRT-I ESCRT-III VPS4 Abb. 3: Modell der HIV-Assemblierung und -Freisetzung. Das virale Gag-Protein und Komponenten der zellulären ESCRT-Maschinerie wirken zusammen bei der Bildung der sphärischen Virusknospe und der Abschnürung der Virushülle von der Zellmembran (siehe Text). Abb. 4: Modell für die Reifung eines HI-Virions. Die schrittweise proteolytische Spaltung des Gag-Polyproteins reguliert den Ablauf der morphologischen Umlagerungen. Die Störung einzelner Reifungsschritte inhibiert die Infektiosität (siehe Text). MA CA NC p6 MA CA NC p6 MA CA NC p6 MA CA NC p6 2

3 chungen zeigen, dass CA-Hexamere im reifen Kapsid lockerer gepackt sind als in der unreifen Hülle und nur etwa die Hälfte der verfügbaren CA-Moleküle an der Ausbildung des reifen Kapsids beteiligt sind (Briggs und Kräusslich, J Mol Biol 2011). Beides deutet darauf hin, dass die Kapsidreifung nicht durch Kondensation des bestehenden CA-Gitters erfolgt, sondern dass im Inneren des Virions eine Dissoziation des CA-Multimers, gefolgt von Assemblierung des reifen Kapsids, stattfindet. Reguliert wird dies durch die langsame Abspaltung des SP1 von CA, welche den Aufbau des reifen Kapsids ermöglicht. Reifung: Abschluss des Replikationszyklus oder Beginn einer neuen Infektion? Die Virusreifung kann wahlweise als der letzte oder als der erste Schritt des Replikationszyklus betrachtet werden: durch Proteolyse der inneren Strukturproteine schaltet HIV vom»zusammenbau(assembly)-modus«in den»zelleintritts-modus«um. Die HIV-Reifung löst dabei ein generelles Problem: In der produzierenden Zelle werden stabile Virionen gebildet; diese müssen (möglicherweise sehr bald danach) in der nächsten Wirtszelle zerfallen, um das Virusgenom freizusetzen. Neben der Aktivierung viraler Enzyme durch Prozessierung des Gag-Pol-Polyproteins ist die Regulierung der Hüllstabilität eine wesentliche Funktion der HIV-Reifung. Während unreife HIV-Partikel nach Entfernung der Lipidhülle mit Detergens stabil sind, zerfallen reife Kapside rasch. Reife Partikel weisen außerdem eine geringere mechanische Stabilität als unreife Virionen auf. Mutationen, die die Stabilität des reifen Kapsids verändern, blockieren Replikationsschritte nach dem Zelleintritt, im Wesentlichen die Reverse Transkription des Genoms. Sowohl Stabilisierung als auch Destabilisierung des Kapsids wirken sich dabei negativ aus; regulierte Kapsid-Dissoziation in der neu infizierten Zelle steuert also vermutlich die Abläufe in der frühen Replikationsphase. Darüber hinaus ist die Fusionskompetenz unreifer HI-Viren um ein Vielfaches geringer als die reifer Viren, obwohl das virale Env-Glykoprotein, das für die Fusion verantwortlich ist, nicht durch die HIV-Protease gespalten wird. HIV-Morphogenese als Ziel antiviraler Therapie Grundbestandteile moderner HIV-Kombinationstherapien (HAART=highly active antiretroviral therapy) sind Hemmer der viralen Reversen Transkriptase und der Protease. Auch wenn die Entfernung der einmal integrierten proviralen DNA aus dem Genom der Wirtszelle und damit eine echte Heilung des Patienten bisher nicht möglich ist, kann eine gut angepasste Kombinationstherapie die Viruslast dauerhaft senken und dadurch den Ausbruch bzw. das Fortschreiten der Erkrankung verhindern oder verlangsamen. Auf Grund der hohen genetischen Variabilität von HIV und der Notwendigkeit der dauerhaften Medikamenteneinnahme ist Resistenzentwicklung ein wesentliches Problem der gegenwärtigen Therapie. Eine Palette verschiedener Wirkstoffklassen, die möglichst viele unterschiedliche Ziele im Replikationszyklus angreifen, ist daher Voraussetzung für die langfristig erfolgreiche Behandlung mit Virostatika. Inhibitoren der HIV-Protease sind seit Jahren fester Bestandteil von HAART (Anderson et al., Handb Exp Pharmacol 2009). Ihre Wirkung beruht auf einer Unterbrechung der Virusmorphogenese: aus der infizierten Zelle werden zwar noch Partikel freigesetzt, diese können jedoch nicht mehr reifen und sind nicht infektiös. Die Wirkweise dieser Virostatika macht erneut die empfindliche Balance der Virusreifung deutlich. In Zellkultur ist selbst bei geringfügiger Hemmung der Gag-Spaltung ein deutlicher Effekt auf die HIV-Infektiosität nachweisbar. Bereits ein kleiner Anteil an unvollständig gespaltenen Bruchstücken des Polyproteins stört offenbar die geordnete Reifung des Partikels und verstärkt so den Effekt. Sogar partielle Hemmung der Spaltung an einer einzigen Stelle genügt: Der Maturationsinhibitor Bevirimat, der durch Bindung an die Spaltstelle zwischen CA und SP1 die Proteolyse an dieser Stelle verlangsamt und die unreife Konformation der Kapsidhülle stabilisiert, ist ein effizienter Inhibitor der HIV-Replikation in vitro und zeigte auch bei einigen Patienten gute Wirksamkeit (Adamson et al., Expert Opin Ther Targets 2009). Allerdings wurden Gag-Mutationen, die Resistenz gegen Bevirimat vermitteln, als häufig vorkommende natürliche Polymorphismen bei Viren aus Therapie-naiven Patienten nachgewiesen. Die klinische Entwicklung ist derzeit eingestellt. Nicht nur eine Hemmung, sondern auch eine Stimulation der Protease-Aktivität hemmt die HIV-Ausbreitung in Zellkultur. Wird die virale Protease z.b. durch Mutation vorzeitig oder zu stark aktiviert, führt das zur Spaltung von Gag, bevor die unreifen Partikel assemblieren. Medikamente, die dieses Prinzip ausnutzen, wurden bisher allerdings nicht entwickelt. Assembly-Inhibitoren würden die Palette der antiviralen Medikamente bereichern. Da theoretisch die Störung von einigen Gag-Gag- Wechselwirkungen im Partikel genügen sollte, um die Ausbildung der multimeren Struktur insgesamt zu blockieren, stellt das Assembly ein attraktives Ziel für die antivirale Therapie dar. Einige Substanzen sind in der Entwicklung, bisher ist jedoch kein Inhibitor des HIV- Assembly zur Therapie zugelassen. Schließlich ist auch vorstellbar, die HIV-Freisetzung durch gezielte Störung der Gag-ESCRT-Wechselwirkungen zu hemmen. Angriffe auf zelluläre Interaktionspartner bergen allerdings die Gefahr, auch essentielle zelluläre Funktionen zu beeinträchtigen. Sollte es jedoch gelingen, gezielt»virusspezifische«funktionen von ESCRT zu charakterisieren und auszuschalten, könnten daraus Medikamente resultieren, gegen die HIV weniger schnell resistent werden kann. Eventuell ermöglicht dies sogar die Entwicklung von Breitband-Virostatika, die gegen alle ESCRT-nutzenden Pathogene wirken. Zusammenfassung Die HIV-Morphogenese wird vom Haupt- Strukturprotein Gag gesteuert. Es rekrutiert wesentliche Virusbestandteile und essentielle zelluläre Faktoren zur viralen Knospungsstelle an der Plasmamembran der Zelle, reguliert die Virusbildung und -freisetzung und bildet den Hauptbestandteil des HI-Viruspartikels. Gag- Polyproteine formen die sphärische Hülle des neu gebildeten Virus; die Spaltung des Polyproteins durch die virale Protease in einer kontrollierten Abfolge proteolytischer Schritte bewirkt anschließend eine morphologische Umlagerung der Virusstruktur und ist Voraussetzung für die Infektiosität von HIV. Da bereits geringfügige Störungen in diesem komplexen Prozess zum Verlust der Infektiosität führen können, ist die HIV-Morphogenese ein attraktives Ziel für die antivirale Therapie. PD Dr. rer. nat. Barbara Müller und Prof. Dr. med. Hans-Georg Kräusslich Department für Infektiologie, Virologie Universitätsklinikum Heidelberg barbara.mueller@med.uni-heidelberg.de hans-georg.kraeusslich@med.uni-heidelberg.de Literaturhinweise Adamson CS, Salzwedel K, Freed EO. Virus maturation as a new HIV-1 therapeutic target. Expert Opin Ther Targets 2009; 13: Anderson J, Schiffer C, Lee SK, et al. Viral protease inhibitors. Handb Exp Pharmacol 2009; 189: Baumgärtel V, Ivanchenko S, Dupont A, et al. Live-cell visualization of dynamics of HIV budding site interactions with an ESCRT component. Nat Cell Biol 2011; 13: Bieniasz PD. Late budding domains and host proteins in enveloped virus release. Virology 2006; 344: Briggs JA, Kräusslich HG. The Molecular Architecture of HIV. J Mol Biol 2011; 410: Carlson LA, Briggs JA, Glass B, et al. Threedimensional analysis of budding sites and released virus suggests a revised model for HIV-1 morphogenesis. Cell Host Microbe 2008; 4: Ganser-Pornillos BK, Yeager M, Sundquist WI. The structural biology of HIV assembly. Curr Opin Struct Biol 2008; 18: Jouvenet N, Zhadina M, Bieniasz PD, et al. Dynamics of ESCRT protein recruitment during retroviral assembly. Nat Cell Biol 2011; 13:

4 Immunpathogenese von AIDS welche Rolle spielen Typ I-Interferone? KLINIK UND FORSCHUNG HIV-Therapie: Sind alle Probleme gelöst? In den vergangenen 15 Jahren hat die Therapie HIV-infizierter Patienten wesentliche Fortschritte gemacht. Durch die Anstrengungen der Grundlagen- und angewandten Forschung sowie der Pharmaindustrie stehen mittlerweile mehr als 20 zugelassene Substanzen für die antiretrovirale Therapie zur Verfügung, die eine effiziente und langanhaltende Unterdrückung der Viruslast mit Erholung des Immunsystems bei fast normaler Lebenszeit erlauben. Also alles bestens? Mit wachsender Erfahrung in der antiretroviralen Therapie wächst auch die Erkenntnis, dass damit nicht alle Probleme gelöst sind. Zum einen gibt es Patienten, bei denen trotz nicht nachweisbarer Viruslast über viele Jahre die Helferzellzahl nicht adäquat ansteigt. Zum anderen nimmt die Häufigkeit bösartiger Tumore bei HIV-Patienten zu; dabei handelt es sich allerdings nicht um die klassischen AIDS-definierenden Malignome wie das Kaposi-Sarkom, sondern vielmehr um Epstein-Barr-Virus (EBV)-bedingte Non- Hodgkin-Lymphome sowie die mit Humanen Papillomviren (HPV) assoziierten analen Tumore (Hensel et al., Dtsch Arztebl Int 2011). Liegt es nur daran, dass älter werdende HIVinfizierte Personen ihren Tumor jetzt erleben? Oder müssen wir lernen, dass bei der HIV-Infektion Mechanismen das Krankheitsgeschehen beeinflussen, welche durch die Unterdrückung der Virusvermehrung alleine nicht vollständig auszuschalten sind? Jenseits von HIV Offensichtlich reicht die Hemmung der Virusvermehrung durch die antiretrovirale Therapie nicht aus, um alle durch das Virus verursachten Schäden am Immunsystem rückgängig zu machen. Dies könnte daran liegen, dass neben der Immunschädigung durch HIV ein weiterer Faktor zum Tragen kommt, der in den letzten Jahren immer mehr in den Fokus des wissenschaftlichen Interesses gerückt ist: die chronische Immunaktivierung. Nicht nur im Menschen, sondern auch im Affenmodell lässt sich nachweisen, dass die chronische Stimulation des Immunsystems eine wesentliche Rolle in der Immunpathogenese der HIV-Infektion spielt (Kirchhoff, Nat Rev Microbiol 2009). Wenn man die pathogene d.h. mit fortschreitendem Abfall der Helferzellen einhergehende HIV-1-Infektion und die nicht pathogene, durch unterschiedliche Stämme des Affen-Immunschwäche-Virus SIV (simian immunodeficiency virus) hervorgerufene, natürliche Infektion von Primaten gegenüberstellt, ist das Ausmaß der Virusvermehrung in der akuten und chronischen Phase vergleichbar. Auch lässt sich zwischen den verschiedenen Viren kein Unterschied in der Fähigkeit erken- nen, Helferzellen in Zellkultur zu zerstören. Es findet sich jedoch eine deutliche Diskrepanz in der T-Zell-Aktivierung und dem programmierten Zelltod, der Sekretion entzündlicher Botenstoffe und dem Ausmaß der chronischen Immunaktivierung. Eine wichtige Ursache der Immunstimulierung ist dabei in der massiven Zerstörung von Helferzellen in der Darmschleimhaut zu sehen (Brenchley et al., Nat Med 2006), wodurch die Schleimhaut-Barriere für Produkte von Darmbakterien durchlässig wird. Dazu zählt vor allem das Lipopolysaccharid (LPS) von gramnegativen Bakterien, das sich bei HIV-infizierten Personen vermehrt in der Zirkulation nachweisen lässt und zu einer starken Immunaktivierung führt. Dieses Phänomen kann bereits bei der HIV-Primärinfektion beobachtet werden. Der Trigger am Abzug Einer der stärksten stimulatorischen Botenstoffe im Immunsystem sind die Typ I-Interferone. Das»Interferon«wurde 1957 von Alick Isaacs und Jean Lindenmann als Substanz entdeckt, die in Zellkultur das Angehen einer Infektion mit Grippeviren verhindern kann (also»interferiert«) (Isaacs und Lindenmann, Proc R Soc Lond B Biol Sci 1957). In der Folge wurde klar, dass es nicht das Interferon, sondern eine ganze Gruppe von Interferonen gibt. Darunter wurden die Typ I-Interferone (v. a. IFNalpha, IFN-beta) identifiziert, die starke antivirale, antiproliferative und immunmodulatorische Effekte haben. Es dauerte allerdings bis 1999, bis zwei unabhängige Arbeitsgruppen die plasmazytoiden dendritischen Zellen (PDC) als Hauptproduzenten dieser Interferone im Blut identifizieren konnten (Cella et al., Nat Med 1999; Siegal et al., Science 1999). Ihr Name lässt sich auf die Ähnlichkeit mit aktivierten B-Zellen (Plasmazellen) und mit dendritischen Zellen zurückführen. So haben PDC neben einem nierenförmigen Kern ein ausgeprägtes Zytoplasma (Abb. 1), was darauf hindeutet, dass sie syntheseaktive Zellen sind. Daneben weisen sie zarte dendritische Fortsätze auf, die ihnen zumindest ansatzweise die Antigenpräsentation erlauben. PDC sind mit nur 0,2 0,5 % der mononukleären Zellen im Blut eine seltene Zellpopulation, schütten jedoch 1000-fach mehr Typ I-Interferone als jede andere Zelle im Körper aus. Da sie als»wächter im Immunsystem«weitere Zellen in der Immunabwehr aktivieren, haben sie eine wichtige Rolle in der Ersterkennung und Kontrolle bakterieller und viraler Infektionen. Interferon-Induktion bei HIV-Infektion ein zweischneidiges Schwert Hochtitriges HIV-1 und insbesondere HIV-1- infizierte Zellen können eine robuste Produktion von Typ I-Interferonen auslösen (Übersicht in: Fitzgerald-Bocarsly und Jacobs, J Leukoc Biol 2010). Dies hat erwünschte günstige Effekte, weil die virale Vermehrung zumindest teilweise gebremst wird und HIVinfizierte Zellen in den Zelltod getrieben werden. Die Arbeitsgruppe von Prof. Gene Shearer, NIH Bethesda, konnte jedoch zeigen, dass die übermäßige Interferon-Produktion vor allem im Lymphgewebe zu negativen Effekten führen kann (Herbeuval et al., PNAS 2005). Dazu gehört der unerwünschte Zelltod vieler nicht infizierter T-Zellen sowie die Hemmung der Funktion und Vermehrung von T-Zellen in den Lymphknoten. In der Folge kommt es zu einem Umbau der Lymphknoten- Architektur, was für fortgeschrittene Stadien der HIV-Infektion charakteristisch ist. Diese Mechanismen konnten in gleicher Weise bei pathogenen SIV-Infektionen bestätigt werden. Somit spielen PDC und die von ihnen produzierten Typ I-Interferone in der Immunpathogenese der HIV-Infektion offensichtlich eine zweischneidige Rolle (Abb. 2). Abb. 1: Elektronenmikroskopische Aufnahme von plasmazytoiden dendritischen Zellen (PDC). Die Zellen wurden aus dem Peripherblut eines gesunden Spenders aufgereinigt und in Kooperation mit Prof. Dr. Elke Bogner, Institut für Virologie, Charité Berlin, für die Elektronenmikroskopie aufbereitet. Ein nierenförmiger Kern mit einem durch reichlich rauhes endoplasmatisches Retikulum prominenten Zytoplasma verleiht den Zellen ein Plasmazell-ähnliches Aussehen. Die zarten dendritischen Ausläufer deuten auf ihre zumindest ansatzweise vorhandene Fähigkeit zur Antigenpräsentation hin. 4

5 Peripherie Induktion von Typ I-IFN durch Kontakt von PDC mit HIV-infizierten Zellen Apoptose nicht infizierter Zellen Hemmung der Funktion und Vermehrung von T-Zellen Lymphknotenarchitektur PDC-Zahl / PDC-Funktion Reaktion auf bakterielle und virale Stimuli Beeinträchtigung der Funktion natürlicher Killerzellen Tumorfrequenz von IFN-empfindlichen Malignomen Abb. 2: Interferon-Induktion bei HIV-Infektion. In der HIV-Infektion lässt sich eine gestörte Balance der Produktion von Typ I-Interferonen beobachten. In der Peripherie kommt eher die mangelnde Reaktion plasmazytoider dendritischer Zellen (PDC) auf bakterielle und virale Stimuli zum Tragen, was die Funktion von natürlichen Killerzellen weiter schwächt. Dagegen führt im Lymphgewebe die chronische Immunaktivierung mit Überproduktion von Typ I-Interferonen (IFN) zum programmierten Zelltod vieler nicht infizierter T-Zellen. Lymphgewebe Mechanismus führt dazu, dass die»wächterfunktion«der PDC im Blut nicht mehr ausreichend wahrgenommen werden kann was evtl. das Auftreten viraler Infektionen und Virus-assoziierter Tumore begünstigt, die prinzipiell auf die Gabe von Typ I-Interferonen reagieren können. Dazu gehören die durch Papillomviren verursachten analen Karzinome, deren Vorstufen auf die Gabe von Imiquimod (Aldara ), einem Induktor von Typ I-Interferonen, ansprechen. Interessanterweise konnte in der oben beschriebenen Studie nach Gabe von Chloroquin eine Erhöhung der peripheren PDC-Zahl beobachtet werden (Piconi et al., Blood 2011). Möglicherweise lässt sich durch die Reduktion der chronischen Immunaktivierung daher auch die erhöhte Tumorfrequenz positiv beeinflussen. Gefahr erkannt Gefahr gebannt? Der Mechanismus, wie HIV-1 bzw. HIV-infizierte Zellen die Induktion von Typ I-Interferonen triggern, ist noch nicht in allen Schritten aufgeklärt. Die Daten mehrerer Arbeitsgruppen deuten jedoch darauf hin, dass die Ansäuerung intrazellulärer Kompartimente, also der Endosomen, für diesen Prozess von wesentlicher Bedeutung sind. So konnte die HIV-bedingte Typ I-Interferon-Produktion in Zellkultur durch Substanzen gehemmt werden, welche genau diesen Schritt inhibieren. Dazu gehört das für die Malaria-Prophylaxe zugelassene Medikament Chloroquin ebenso wie weitere Substanzen (Ammoniumchlorid, Bafilomycin, Chlorpromazin) (Schmidt et al., Virology 2005; Beignon et al., J Clin Invest 2005). Chloroquin hemmt die durch bakterielle oder virale Bestandteile (z. B. CpG-Moleküle, LPS) vermittelte Signalweiterleitung, die zur Produktion von Entzündungsmediatoren führt. Außerdem konnte für Chloroquin auch eine Reduktion der T-Zell-Aktivierung gezeigt werden (Martinson et al., Antimicrob Agents Chemother 2010). Chloroquin wird zur Dämpfung der Immunstimulation bereits bei einigen Autoimmunerkrankungen, z.b. der rheumatoiden Arthritis, mit Erfolg eingesetzt. Basierend auf diesen Ergebnissen stellte sich die Frage, ob sich daraus nicht auch ein möglicher therapeutischer Ansatz zur Reduktion der chronischen Immunaktivierung bei HIV- Infektion entwickeln könnte. Dass sich mit dieser Zielrichtung durchaus positive Effekte erreichen lassen, zeigt der Einsatz von niedrig dosiertem Prednisolon, das in frühen Studien bei HIV-infizierten Patienten zur Stabilisierung der Helferzellzahl beitrug (Ulmer et al., Eur J Med Res 2005a; Ulmer et al., Eur J Med Res 2005b). Der positive Effekt konnte bei therapienaiven, aber auch bei unter antiretroviraler Medikation stehenden Patienten beobachtet werden. Immunmodulation in vivo Vor kurzem wurden die ersten Daten einer klinischen Studie veröffentlicht, in der bei insgesamt 20 HIV-infizierten Patienten, bei denen es trotz suffizienter antiretroviraler Therapie nicht zu einer adäquaten Rekonstitution der Helferzellen kam (= immunologische Non-Responder), zusätzlich Chloroquin für sechs Monate eingesetzt wurde (Piconi et al., Blood 2011). Bis auf einen Patienten, der nach 10 Tagen einen Hautausschlag entwickelte, wurde die Therapie von allen Patienten gut vertragen. Dadurch konnten mehrere Laborparameter (siehe Tabelle) positiv beeinflusst werden: Es reduzierte sich die Menge des im Plasma zirkulierenden LPS, die Aktivierung von Helferzellen und Monozyten ebenso wie die Produktion entzündlicher Botenstoffe (z. B. Interleukin (IL)-6, TNF-alpha). Bemerkenswerterweise stieg parallel bei den Patienten der Prozentsatz an zirkulierenden Helferzellen (nicht aber die Absolutzellzahl) signifikant an, wodurch erstmals der adjuvante immunmodulatorische Effekt der Chloroquin-Therapie dokumentiert werden konnte. Allerdings sollten diese sehr vorläufigen Daten mit Vorsicht interpretiert und in weiteren Studien mit einer größeren Patientenzahl bestätigt werden. Tabelle: Laborparameter der Immunaktivierung Ki67-Expression von CD4 + -T-Zellen CD38- und CD69-Expression von CD8 + -T-Zellen CD69-Expression von Monozyten LPS-Spiegel im Plasma Spiegel von Entzündungsmediatoren im Plasma (IL-6, TNF-alpha) Langzeiteffekte? Bei der HIV-Infektion lässt sich noch ein weiterer Effekt auf die PDC beobachten, nämlich eine signifikant verringerte Zahl und Funktion dieser Zellen im Blut, was sich bei der HIV-Erstinfektion und vor allem in fortgeschrittenen Stadien bemerkbar macht (Fitzgerald-Bocarsly und Jacobs, J Leucoc Biol 2010). Dies hat möglicherweise etwas mit der Präaktivierung von PDC durch HIV-1 und zirkulierendes IFN-alpha zu tun (Tilton et al., J Virol 2008). Aktivierte PDC regulieren einen Oberflächenmarker hoch, der ihre Abwanderung ins lymphatische Gewebe verstärkt. Dieser Zusammenfassung Die Erkenntnis, dass die chronische Immunaktivierung einen wesentlichen Betrag zur HIV- Pathogenese leistet, hat die Tür für neue immunmodulatorische Therapien aufgestoßen. Die Zukunft wird zeigen, ob sich damit eine weitere Verbesserung der antiretroviralen Therapie und der Lebensqualität HIV-infizierter Menschen erreichen lässt. Es werden weitere Anstrengungen in der Grundlagen- und angewandten Forschung notwendig sein, um das bereits Erreichte zu festigen. PD Dr. med. Barbara Schmidt Nationales Referenzzentrum für Retroviren Institut für Klinische und Molekulare Virologie, Universitätsklinikum Erlangen barbara.schmidt@viro.med.uni-erlangen.de Literaturhinweise Beignon AS, McKenna K, Skoberne M, et al. Endocytosis of HIV-1 activates plasmacytoid dendritic cells via Toll-like receptor-viral RNA interactions. J Clin Invest 2005; 115: Brenchley JM, Price DA, Schacker TW, et al. Microbial translocation is a cause of systemic immune activation in chronic HIV infection. Nat Med 2006; 12: Cella M, Jarrossay D, Facchetti F, et al. Plasmacytoid monocytes migrate to inflamed lymph nodes and produce large amounts of type I interferon. Nat Med 1999; 5: Fitzgerald-Bocarsly P and Jacobs ES. Plasmacytoid dendritic cells in HIV infection: striking a delicate balance. J Leukoc Biol 2010; 87: Hensel M, Goetzenich A, Lutz T, et al. HIV and cancer in Germany. Dtsch Arztebl Int 2011; 108:

6 Herbeuval JP, Hardy AW, Boasso A, et al. Regulation of TNF-related apoptosis-inducing ligand on primary CD4 + T cells by HIV-1: role of type I IFNproducing plasmacytoid dendritic cells. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102: Isaacs A and Lindenmann J. Virus interference. I. The interferon. Proc R Soc Lond B Biol Sci 1957; 147: Kirchhoff F. Is the high virulence of HIV-1 an unfortunate coincidence of primate lentiviral evolution? Nat Rev Microbiol 2009; 7: Martinson JA, Montoya CJ, Usuga X, et al. Chloroquine modulates HIV-1-induced plasmacytoid dendritic cell alpha interferon: implication for T-cell activation. Antimicrob Agents Chemother 2010; 54: Piconi S, Parisotto S, Rizzardini G, et al. Hydroxychloroquine drastically reduces immune activation in HIV-infected, ART-treated, immunological non-responders. Blood Schmidt B, Ashlock BM, Foster H, et al. HIV-infected cells are major inducers of plasmacytoid dendritic cell interferon production, maturation, and migration. Virology 2005; 343: Siegal FP, Kadowaki N, Shodell M, et al. The nature of the principal type 1 interferon-producing cells in human blood. Science 1999; 284: Tilton JC, Manion MM, Luskin MR, et al. Human immunodeficiency virus viremia induces plasmacytoid dendritic cell activation in vivo and diminished alpha interferon production in vitro. J Virol 2008; 82: Ulmer A, Muller M, Bertisch-Mollenhoff B, et al. Low dose prednisolone reduces CD4 + T cell loss in therapy-naive HIV-patients without antiretroviral therapy. Eur J Med Res 2005a; 10: Ulmer A, Muller M, Bertisch-Mollenhoff B, et al. Low-dose prednisolone has a CD4-stabilizing effect in pre-treated HIV-patients during structured therapy interruptions (STI). Eur J Med Res 2005b; 10: KLINIK UND FORSCHUNG Intrazelluläre Restriktionsfaktoren mit alten und neuen Freunden gegen Retroviren Einleitung Neben der adaptiven Immunantwort spielt die angeborene oder native Immunität bei der Abwehr viraler Infektionen eine wichtige Rolle. Der Abwehrmechanismus der nativen Immunität beruht im Wesentlichen auf der spezifischen Erkennung von Pathogen-assoziierten molekularen Mustern, sogenannten PAMPs (pathogen-associated molecular patterns), durch Pathogenrezeptoren, oder PRRs (pattern recognition receptors). Erkennt ein PRR ein solches»virales Muster«, z. B. virale RNA, werden Signalkaskaden angestoßen, an deren Ende unter anderem die verstärkte Expression antiviraler Faktoren steht. Obwohl schneller als die adaptive Immunantwort, muss auch die angeborene Immunität meist erst über Pathogen- Rezeptor-Interaktionen induziert und durch Signalkaskaden aktiviert werden, wodurch wertvolle Zeit vergeht, in der das Virus Zellen infizieren und sich im Wirt ausbreiten kann. Um diese Lücke zu schließen, besitzen viele Zellen ein Arsenal verschiedener antiviraler Faktoren, welche konstitutiv exprimiert sind und deren Expression nicht zwingend, z. B. durch Interferon, induziert werden muss. Um die sogenannten Restriktionsfaktoren, meist antiviral wirkende Proteine, von der konventionellen angeborenen Immunantwort abzugrenzen, werden diese unter dem Begriff»Intrinsische Immunität«zusammengefasst. Speziell Säugerzellen besitzen eine Reihe von meist intrazellulären Restriktionsfaktoren, welche gegen verschiedenste Viren aktiv sein können. Der hohe Anteil von Sequenzen retroviralen Ursprungs im humanen Genom zeigt, dass der Mensch im Laufe der Evolution konstant retroviralen Infektionen ausgesetzt und gezwungen war, diese»genetischen Eindringlinge«, zumindest zu einem gewissen Grad, kontrollieren zu können. In der Tat zeigen genetische Analysen, dass viele Restriktionsfak- toren während der Säugetierevolution unter großem Selektionsdruck standen, vermutlich auch um retroviralen Infektionen entgegenzuwirken. Das molekulare Wettrüsten zwischen zellulären Restriktionsfaktoren und Retroviren lässt sich besonders eindrucksvoll am Beispiel von sogenannten akzessorischen Proteinen festmachen. Lentiviren, wie das humane Immundefizienzvirus (HIV-1), kodieren eigens für verschiedene»virale Werkzeuge«, um einige dieser Restriktionsfaktoren zu neutralisieren. Im Folgenden soll nun ein kurzer Überblick über die wichtigsten bisher bekannten Restriktionsfaktoren mit antiretroviraler Wirkung gegeben und ihr Einfluss auf die HIV- Infektion erörtert werden (Abb. 1). APOBEC3G Das APOBEC3G-Protein (apolipoprotein B mrna-editing enzyme catalytic polypetidelike 3G) wurde 2002 als erster Restriktionsfaktor gegenüber HIV-1 beschrieben und gehört zur Proteinfamilie der APOBEC-Cytidin-Deaminasen (Sheehy et al., Nature 2002). Das namensgebende APOBEC1-Protein editiert die Abb. 1: Die zellulären Restriktionsfaktoren SAMHD1, TRIM5α, APOBEC3G und Tetherin inhibieren die HIV-Infektion. SAMHD1, APOBEC3G (A3G) und Rhesus-TRIM5α hemmen die Infektion während der reversen Transkription bzw. dem Auflösen des Kapsids. Tetherin/BST-2 dagegen verhindert die Freisetzung neugebildeter viraler Partikel. Die viralen Proteine Vpx und Vif neutralisieren die Restriktionsfaktoren SAMHD1 und A3G, während das akzessorische Protein Vpu der antiviralen Aktivität von Tetherin entgegenwirkt. Vpx SAMHD1 Vif A3G TRIM5α C U G A A3G Tetherin Vpu 6

7 IFN A3G Vif Ub SAMHD1 Vpx Ub TRIM5α NFKB AP1 Antivirale Faktoren IFNβ Abb. 2: Vif und Vpx neutralisieren zelluläre Restriktionsfaktoren mit Hilfe des Ubiquitin-Proteasom-Systems. Die retroviralen Proteine Vif bzw. Vpx induzieren die Ubiquitinylierung (Ub) und den anschließenden proteasomalen Abbau der Restriktionsfaktoren APOBEC3G bzw. SAMHD1 durch Bindung an einen Ubiquitin-Ligase-Komplex (grün). Abb. 3: Mögliche Rolle von TRIM5α als Pattern Recognition Receptor (PRR). TRIM5α erkennt virale Kapsidstrukturen und induziert zelluläre Signalkaskaden, welche über die zellulären Transkriptionsfaktoren NFkB und AP-1 in der Expression von antiviralen Faktoren münden. mrna des Lipidtransport-Proteins Apolipoprotein B. Durch die chemische Veränderung (Deaminierung) einer Cytosin-Base zu Uracil führt APOBEC1 zur Expression einer kürzeren Form des Proteins mit unterschiedlicher Funktion. Für APOBEC3G (A3G) ist ebenfalls eine solche Funktion beschrieben und A3G (wie auch das verwandte Protein A3F) ist mittels seiner Deaminase-Funktion in der Lage, die HIV-Replikation zu inhibieren. A3G wird während des Zusammenbaus neuer Viren in einer infizierten Zelle in das entstehende Viruspartikel verpackt. In der nächsten, neu infizierten Zelle können nun die verpackten A3G-Proteine während der reversen Transkription des viralen Genoms Cytosin-Basen (C) auf dem neu entstehenden DNA-Minusstrang zu Uracil (U) deaminieren. Aufgrund dieser C U-Austausche im Minusstrang wird anschließend ein G A-hypermutierter DNA-Plusstrang synthetisiert. Zum Abbruch der Infektion kann es nun auf zwei unterschiedliche Arten kommen: zum einen bauen DNA-Reparatur-Enzyme die fälschlicherweise Uracil enthaltende virale DNA ab, zum anderen falls die virale DNA diesem Abbau entkommt und ins Wirtsgenom integriert verhindert die G A-Hypermutation, dass von der viralen DNA funktionelle Transkripte synthetisiert werden können. Ob neben der Deaminierung noch andere Mechanismen zur HIV-Inhibition durch A3G beitragen können, wird derzeit kontrovers diskutiert. Unabhängig davon ist jedoch klar, dass die Inhibition durch A3G extrem wirksam ist, da HIV sich eigens das akzessorische Protein Vif leistet, um diesen Block zu umgehen. In infizierten Zellen bindet neu synthetisiertes Vif gleichzeitig an A3G und an einen zellulären Ubiquitin-Ligase-Komplex (Abb. 2). Das virale Protein Vif bringt A3G somit in räumliche Nähe zur Ubiquitin-Ligase und induziert so dessen Poly-Ubiquitinylierung. Dies führt anschließend zum Abbau von A3G durch das zelluläre Proteasom und somit zur Neutralisation des antiviralen Blocks. Tetherin/BST-2 Ein weiterer zellulärer Restriktionsfaktor, der durch ein virales akzessorisches Protein inhibiert wird, ist Tetherin oder BST-2. Tetherin/ BST-2 wurde durch zwei unabhängige Forschergruppen als Restriktionsfaktor gegen HIV-1 identifiziert (Neil et al., Nature 2008; Van Damme et al., Cell Host Microbe 2008). Tetherin inhibiert die späte Phase des Replikationszyklus. Es blockiert die Abschnürung neugebildeter Virionen von der Zelloberfläche und verhindert somit die Ausbreitung auf weitere nicht infizierte Zellen. Tetherin wird auf der Zelloberfläche exprimiert und ist mit beiden Enden in der Zellmembran verankert. Neueste Arbeiten zeigen, dass sich Tetherin- Dimere während der Infektion sowohl in der Zellmembran als auch in der Membran der neugebildeten Viren verankern und diese somit mechanisch an die Zelle binden. Obwohl Tetherin in einigen Zelltypen konstitutiv exprimiert wird, kann die Expression in vielen Zelltypen durch Interferon induziert werden. Identifiziert wurde Tetherin in Zellen, in denen die Freisetzung von HI-Viren, denen das akzessorische Protein Vpu fehlte, blockiert war. Vpu ist ein weiteres akzessorisches Protein von HIV-1, von dem bereits bekannt war, dass es zelluläre Oberflächenproteine herunterregulieren kann. Tetherin konnte nun als weiterer Interaktionspartner von Vpu identifiziert werden. Vpu ist in der Lage, die Expression von Tetherin auf der Zelloberfläche herunterzuregulieren und somit die Tetherinvermittelte Inhibition zu neutralisieren. Interessanterweise ist Tetherin nicht nur gegen HIV-1 aktiv, sondern inhibiert auch die Freisetzung einer Vielzahl anderer umhüllter Viren, wie z. B. HIV-2, SIV, HTLV, Marburg-, Ebola- und Lassavirus. Der Tetherin-vermittelte Block scheint also ein allgemeiner zellulärer Abwehrmechanismus gegenüber viralen Infektionen zu sein, welchen HIV-1 mittels des akzessorischen Proteins Vpu neutralisiert. Auch im Falle von Tetherin wird das molekulare Wettrüsten zwischen der zellulären Virusabwehr und den Retroviren deutlich. So konnte z.b. gezeigt werden, dass der Vorläufer von HIV-1, das Affen-Immundefizienzvirus aus Schimpansen (SIVcpz), Tetherin mittels seines akzessorischen Proteins Nef herunterreguliert. Da dies aufgrund eines veränderten Tetherin- Proteins im Menschen nicht möglich ist, nutzt HIV-1 im Menschen Vpu, um den humanen Tetherin-Block zu inhibieren (Sauter et al., Cell Host Microbe 2009). TRIM5α alter Faktor, neue Funktion? Der Restriktionsfaktor TRIM5α ist Teil der TRIM(tripartite motif)-protein-familie. Charakteristisch für TRIM-Proteine ist das aminoterminale TRIM-Motiv, das aus einer RING- Finger-Domäne, ein oder zwei B-Boxen und einer coiled-coil-domäne besteht. Der carboxy-terminale Teil jedoch ist für jedes Protein unterschiedlich und enthält im Fall von TRIM5α eine sogenannte SPRY-Domäne. Beschrieben wurde eine restriktive Wirkung erstmals für TRIM5α aus Rhesusaffen (rhtrim5α). In Gentransfer-Experimenten konnte gezeigt werden, dass rhtrim5α die HIV-1-Infektion von Rhesusaffen-Zellen inhibiert, während das humane TRIM5α-Protein nur schwach gegen HIV-1 aktiv ist (Stremlau et al., Nature 2004). Humanes TRIM5α ist jedoch in der Lage, die Infektion anderer Retroviren, wie z.b. von MLV (Murines Leukämie Virus) oder EIAV (Virus der Infektiösen Anämie der Pferde) zu blockieren. Diese Spezies-Spezifität der TRIM5α-Proteine hängt von deren SPRY-Domäne ab, da TRIM5α über diese mit den Kapsid-Proteinen der jeweiligen Viren interagieren kann. Der Mechanismus der TRIM5α-Inhibition ist noch nicht vollständig geklärt, jedoch binden wahrscheinlich TRIM5α-Multimere direkt an eindringende virale Kapside und führen so zu einem verfrühten Auflösen des Kapsids, was die Infektion bereits in einem frühen Stadium blockiert (zusammengefasst in Nisole et al., Nat Rev Microbiol 2005). 7

8 Neueste Studien deuten darauf hin, dass dieser initiale Block der Infektion nicht die einzige antivirale Funktion von TRIM5α darstellt. So konnte gezeigt werden, dass TRIM5α nach Erkennung von viralen Kapsidstrukturen intrazelluläre Signalwege aktiviert und so möglicherweise die Induktion von antiviralen Proteinen induzieren kann (Pertel et al., Nature 2011). TRIM5α würde demnach auch eine Funktion als PRR einnehmen und über die Erkennung von retroviralen Kapsiden zusätzlich eine native Immunantwort gegenüber der retroviralen Infektion induzieren (Abb. 3). SAMHD1 ein»neuer«restriktionsfaktor Im Gegensatz zu HIV-1 kodieren das verwandte HIV-2 und einige SIVs für das akzessorische Protein Vpx. Es ist seit längerem bekannt, dass Vpx entscheidend zur Pathogenität und Virusausbreitung von SIV in Rhesusaffen beiträgt, und dass Vpx für die SIV-Infektion von speziellen Immunzellen, Makrophagen und dendritischen Zellen essentiell ist. Darüber hinaus war lange nichts zur Funktion von Vpx bekannt, bis gezeigt werden konnte, dass Vpx überraschenderweise auch die HIV-1-Infektion dieser Zellen verstärken kann. Der durch Vpx aufgehobene Block inhibiert die SIV- und HIV-1-Infektion in diesen Zellen schon relativ früh im viralen Replikationszyklus, nämlich während der reversen Transkription des Genoms. Mehrere Arbeiten konnten zeigen, dass hierfür die Interaktion von Vpx mit einem Ubiquitin-Ligase-Komplex wichtig ist. Daher wurde vermutet, dass das Vpx, ähnlich wie Vif, das zelluläre Ubiquitin-Proteasom-System nutzt, um einen unbekannten antiviralen Faktor abzubauen und damit zu neutralisieren (Abb. 2) (zusammengefasst in Gramberg et al., Curr HIV/AIDS Rep 2009). Kürzlich wurde nun SAMHD1 als dieser unbekannte Restriktionsfaktor identifiziert (Hrecka et al., Nature 2011; Laguette et al., Nature 2011). Es konnte gezeigt werden, dass SAMHD1 für den Block der SIV- und HIV-Infektion in Makrophagen und dendritischen Zellen verantwortlich ist und durch Vpx dem Abbau durch das Ubiquitin-Proteasom- System zugeführt wird. Der Mechanismus, wie SAMHD1 eindringende Viren erkennt und inhibiert, ist derzeit noch nicht aufgeklärt. Es wird jedoch vermutet, dass SAMHD1 möglicherweise zum Abbau des viralen Genoms (DNA oder RNA) beiträgt und so die Infektion inhibieren kann. Ungeklärt ist außerdem, warum HIV-2 und SIV, aber nicht HIV-1 für ein Protein zur Neutralisation der SAMHD1-vermittelten Restriktion kodieren. Makrophagen stellen wichtige Zielzellen der HIV-Infektion in vivo dar, was die spannende Frage aufwirft, warum HIV-1 seine Zielzellen nicht effizienter infiziert und für ein SAMHD1-neutralisierendes Protein kodiert. Zusammenfassung Die Tatsache, dass Lentiviren, wie HIV-1, für akzessorische Proteine kodieren, deren Aufgabe es ist, spezifisch Restriktionsfaktoren zu inhibieren, zeigt die Bedeutung der intrinsischen Immunität in der Virusabwehr. Die Aufklärung der vielfältigen Mechanismen der Restriktion leistet zudem einen wichtigen Beitrag zum Verständnis bisher ungeklärter Details der retroviralen Infektion. Des Weiteren kann die Erforschung zellulärer Restriktionsmechanismen dabei helfen, mögliche Achillesfersen der HIV-Infektion aufzudecken. Die durch die zelluläre Abwehr aufgezeigten Schwachstellen können dann genutzt werden, um neue, wirkungsvolle antiretrovirale Medikamente zu entwickeln. Prof. Dr. rer. nat. Thomas Gramberg Nationales Referenzzentrum für Retroviren Institut für Klinische und Molekulare Virologie, Universitätsklinikum Erlangen Literaturhinweise Gramberg T, Sunseri N, Landau NR. Accessories to the crime: recent advances in HIV accessory protein biology. Curr HIV/AIDS Rep 2009; 6: Hrecka K, Hao C, Gierszewska M, et al. Vpx relieves inhibition of HIV-1 infection of macrophages mediated by the SAMHD1 protein. Nature 2011; 474: Laguette N, Sobhian B, Casartelli N, et al. SAMHD1 is the dendritic- and myeloid-cell-specific HIV-1 restriction factor counteracted by Vpx. Nature 2011; 474: Neil SJ, Zang T, Bieniasz PD. Tetherin inhibits retrovirus release and is antagonized by HIV-1 Vpu. Nature 2008; 451: Nisole S, Stoye JP, Saib A. TRIM family proteins: retroviral restriction and antiviral defence. Nat Rev Microbiol 2005; 3: Pertel T, Hausmann S, Morger D, et al. TRIM5 is an innate immune sensor for the retrovirus capsid lattice. Nature 2011; 472: Sauter D, Schindler M, Specht A, et al. Tetherindriven adaptation of Vpu and Nef function and the evolution of pandemic and nonpandemic HIV-1 strains. Cell Host Microbe 2009; 6: Sheehy AM, Gaddis NC, Choi JD, et al. Isolation of a human gene that inhibits HIV-1 infection and is suppressed by the viral Vif protein. Nature 2002; 418: Stremlau M, Owens CM, Perron MJ, et al. The cytoplasmic body component TRIM5alpha restricts HIV-1 infection in Old World monkeys. Nature 2004; 427: Van Damme N, Goff D, Katsura C, et al. The interferon-induced protein BST-2 restricts HIV-1 release and is downregulated from the cell surface by the viral Vpu protein. Cell Host Microbe 2008; 3: Impressum Herausgeber: Virologisches Institut Klinische und Molekulare Virologie Universitätsklinikum Erlangen Sprecher des NRZ: Prof. Bernhard Fleckenstein Stellv. Sprecher des NRZ: Dr. Klaus Korn Koordinatorin des NRZ: Dr. Angela Nagel Schlossgarten 4 D Erlangen Tel.: / Fax: / nrzretro@viro.med.uni-erlangen.de Redaktion: Dr. Angela Nagel (V.i.S.d.P.) Tel.: / aanagel@viro.med.uni-erlangen.de Manuskriptbearbeitung: Dr. Angela Nagel / Dr. Klaus Korn Grafische Gestaltung: Grafikstudio Hoffmann, Dresden Druck: Druckhaus Haspel, Erlangen AUSBLICK AUF DAS NÄCHSTE BULLETIN HIV-1-Subtypen: Entwicklung im Menschen Empfindlichkeiten um die HIV- Resistenz wie schief ist die Lage? DIE ARBEIT DES NATIONALEN REFERENZZENTRUMS FÜR RETROVIREN WIRD DURCH DAS ROBERT-KOCH-INSTITUT GEFÖRDERT. WEITERHIN DANKEN WIR FOLGENDEN FIRMEN FÜR IHRE FREUNDLICHE UNTERSTÜTZUNG: 8