Molekulare Grundlagen der Spezies-Spezifität bei Zytomegalieviren

Abstract

Zytomegalieviren (CMV) gehören zur Unterfamilie der β-Herpesviren, die als strikt speziesspezifisch angesehen werden. Spezies-Spezifität heißt, dass eine permissive Infektion nur in Zellen der eigenen Art oder sehr nah verwandter Arten etabliert werden kann. Deshalb kann das humane CMV (HCMV) nicht in murinen Zellen replizieren, und umgekehrt ist es dem murinen CMV (MCMV) in humanen Zellen nicht möglich, Virusnachkommen zu bilden. Die genauen molekularen Ursachen dieser Spezies-Spezifität sind bisher weitesgehend unbekannt. In einer neueren Studie konnte gezeigt werden, dass die Infektion humaner Zellen mit MCMV zur Induktion verschiedener apoptotischer Signalweges führt, die letztlich zum Tod der Zelle führen. Wenn diese Signalwege durch die Expression antiapoptotischer Proteine blockiert sind, ist MCMV in der Lage, in humanen Zellen eine permissive Infektion zu etablieren, wenn auch mit geringerer Effizienz. In dieser Arbeit wird die Isolierung und phänotypische Charakterisierung einer spontan entstandenen MCMV Mutante beschrieben, die in der Lage ist, in humanen Zellen schnell und mit hoher Effizienz zu replizieren. In speziesfremden humanen Zellen induziert diese spontane Mutante weniger Apoptose im Vergleich zum parentalen MCMV und zerstört effizienter ND10 Strukturen, die als Teil des intrazellulären Abwehrsystems angesehen werden. Die Ausbildung der viralen DNA-Replikationszentren ist nach Infektion humaner Zellen mit dieser Mutante ebenfalls deutlich verstärkt. Durch Genomsequenzierung wurden verschiedene Mutationen in diesem adaptierten Virus entdeckt. Mit Hilfe zielgerichteter Mutagenese konnte gezeigt werden, dass die Mutationen in der Genregion M112/113 einen deutlichen Einfluss ausüben, da der Einbau dieser Mutationen in MCMV ausreichend war, um eine lytische Infektion in humanen Zellen zu etablieren. In dieser zu HCMV UL112/113 homologen Genregion sind die „early-1― (E1) Proteine kodiert, und es ist bekannt, dass diese eine wichtige Rolle bei der DNA-Replikation spielen. Allerdings zeigte sich auch, dass diese Mutationen alleine nicht ausreichend sind, um den bemerkenswerten Phänotypen der adaptierten Virusmutante zu reproduzieren, da die konstruierte M112/113 Mutante weniger Virusnachkommen bildete und dies zusätzlich mit einer deutlich verzögerten Kinetik. Es muss also noch weitere Mutationen geben, die den Phänotyp des adaptierten Virus in humanen Zellen mitverursachen. Die hier gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, die molekularen Ursachen der Spezies-Spezifität bei CMV verstehen zu lernen und helfen möglicherweise eines Tages dabei, den Aufbau eines in vivo HCMV Tiermodells in der Maus zu etablieren.

Cytomegaloviruses, represantatives of the Betaherpesvirinae, are highly species specific. Permissive infections are only possible in cells of their own or of closely related species. Therefore, human cytomegalovirus (HCMV) does not replicate in mouse cells, and mouse cytomegalovirus (MCMV) does not produce new virus particles in human cells. The underlying molecular mechanisms of the cytomegalovirus species specificity are so far poorly understood. Recently, it was shown that infection of human cells with MCMV leads to the induction of apoptotic pathways and finally to cell death. Blocking this pathways by expression of anti-apoptotic proteins enables MCMV to replicate in human cells and to set up a permissive infection. In the present study we describe the isolation and characterization of a spontaneously adapted MCMV mutant that has gained the ability to replicate rapidly in human cells and production of new virus particles is highly efficient. Induction of apoptosis in human cells after infection is less pronounced compared to parental MCMV and the mutant MCMV disrupts ND10 structures, a part of the intrinsic immune defense, more efficiently. This mutant virus also forms larger nuclear replication compartments and replicates DNA more efficiently as compared to the parental MCMV. A genome-wide sequence analysis revealed several genetic alterations within this mutant. Site- directed mutagenesis approaches showed that mutations in the M112/113 gene region are involved in this phenotype, since introduction of these mutations into MCMV was sufficient to establish a lytic permissive infection in human cells. M112/113 is the homologous region to HCMV UL112/113 and this region encodes the viral early-1 (E1) proteins which play an important role in DNA replication and formation of replication compartments within the nucleus. However, these mutations did not fully restore the remarkable phenotype of the adapted virus, because the constructed M112/113 virus produced less viral progeny after a delayed onset of viral spread. Therefore it seems likely that additional mutations so far not detected contribute as well. These results contribute to a better understanding of the molecular mechanisms underlying the cytomegalovirus species specificity in general and might help to construct an in vivo HCMV model in mice one day.