Das humane Zytomegalievirus (HCMV) ist ein ubiquitäres Pathogen, das zur Gruppe der Herpesviren gehört. Bei Immunsupprimierten wie zum Beispiel AIDS-Patienten oder Organtransplantierten aber auch bei Neugeborenen kann die HCMV-Infektion schwere Krankheitsverläufe verursachen, die bis hin zum Tode führen. Darüber hinaus stellt HCMV die häufigste kongenitale Infektionsursache dar und kann sowohl zu geistiger als auch zu körperlicher Behinderung führen. Die vorhandenen antiviralen Medikamente sind durch erhebliche Nebenwirkungen und die Entwicklung von Resistenzen gekennzeichnet.
Auf zellulärer Ebene unterscheidet man zwischen lytischer und latenter Infektion. Der lytische Infektionszyklus wird durch die Expression der immediate early (IE) Gene initiiert, die eine Kaskade von weiteren Genexpressionsprogrammen in Gang setzen und somit für die virale DNA-Replikation und die Produktion neuer Viruspartikel essentiell sind. Während HCMV zu jeder Phase des Zellzyklus in die Zelle eindringen kann, wird die IE-Genexpression in S/G2-Phase Zellen blockiert und kann nur in G0/G1-Phase Zellen eingeleitet werden. Diese Blockade wird durch die Interaktion der zellulären Zyklin A-abhängigen Kinase mit dem viralen Protein pp150 vermittelt.
In dieser Arbeit wurde die physiologische Relevanz der zellzyklusabhängigen IE-Genexpression von HCMV untersucht. Dazu wurde eine Virusmutante verwendet, bei der pp150 nicht mehr in der Lage ist, eine Bindung mit Zyklin A einzugehen. Es konnte gezeigt werden, dass IE-Genexpression in S-Phase-Zellen zu einem stabilen G2-Arrest führt, welcher virale Genexpression und DNA-Replikation gut unterstützt. Auffällig war lediglich eine kleine Subpopulation Mitose-arretierter Zellen, in denen keine virale DNA-Replikation stattfand.
Der Virus-permissive G2-Arrest erwies sich als abhängig von pUL21a. Für dieses Genprodukt von HCMV konnte kürzlich gezeigt werden, dass es Zyklin A destabilisiert und so zu einem Arrest des Zellzyklus am Übergang von der G1- zur S-Phase führt. Eine Doppelpunktmutante von HCMV bei der sowohl pp150 als auch pUL21a nicht mehr mit Zyklin A interagieren können, führte zu erheblichen negativen Konsequenzen für Virus und Wirt. Ein Großteil der Zellen trat in die Mitose ein, verbunden mit einem starken Verlust der Zellviabilität. Die Produktion von neuen Viruspartikeln war circa 500-fach eingeschränkt. Dabei handelte es sich nicht um additive sondern um synergistisch wirkende Effekte der beiden Mutationen in pUL21a und pp150.
Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass die viralen Proteine pp150 und pUL21a funktionell zusammenarbeiten, um einen unproduktiven mitotischen Zustand HCMV-infizierter Zellen zu verhindern. Die Resultate legen ein Modell nahe, bei dem pp150 alleine als Zyklin A-Sensor für eine produktive Infektion nicht zwingend notwendig ist, sondern vielmehr von HCMV entwickelt wurde, um die Zellzyklussynchronisation durch pUL21a zu stärken und abzusichern.
Human Cytomegalovirus (HCMV), also known as Human Herpesvirus-5, is a widespread pathogen. In immunocompromised individuals, such as AIDS patients and transplant recipients, as well as in neonates, HCMV infection can lead to severe disease and death. It is the most common congenital infection leading to disabilities such as mental retardation and hearing impairment. The available virostatic drugs are characterized by severe side effects and emergence of resistant strains.
At the cellular level, HCMV can either remain latent or start its lytic replication cycle. Lytic replication is initiated by the expression of immediate early (IE) genes which trigger a cascade of subsequent gene expression programs, eventually leading to viral DNA replication and the production of new virus progeny. While HCMV is able to enter the cell at any cell cycle stage, IE gene expression can only be initiated in G0/G1 phase cells and is blocked in S/G2 phase cells. This block is mediated by the interaction of cellular cyclin A-dependent kinase and the viral tegument protein pp150.
Here, the physiological relevance of cell cycle-dependent IE gene expression for HCMV was addressed by employing a mutant virus lacking the cyclin A-binding motif in the pp150 protein. It was observed that the initiation of IE gene expression in S phase cells results in a stable G2 arrest followed by efficient expression of further viral gene products and viral DNA replication. Only a small subpopulation of cells entered a mitotic arrest and showed no signs of viral DNA replication.
The virus-permissive G2-arrest was dependent on pUL21a. This viral protein has recently been shown to destabilize cyclin A, thereby leading to a cell cycle arrest at the transition from G1 to S phase. An HCMV double-point mutant where both pp150 and pUL21a are disabled in cyclin A-binding showed severe negative consequences for virus and host. A majority of infected cells was forced into mitosis accompanied by a sharp decrease of cell viability. Analysis of the production of new virus progeny revealed an approximately 500-fold growth defect. These were not only additive but synergistic effects of pUL21a and pp150 mutations.
Taken together, it could be shown that the viral proteins pp150 and pUL21a functionally cooperate to prevent HCMV from entering a non-productive mitotic state of infection. These results may point to a model where cyclin A sensing by pp150 alone is not absolutely required for productive HCMV infection but has been developed to strengthen and support cell cycle synchronization by pUL21a.
