Herpesviren I

Bettina KempkesHelmholtz Zentrum München (HMGU)

16.5. 2011

Herpesviren: Strukturmerkmale

4. Hüllmembranmit Gykoproteinkomplexen (12-14 Proteine)

1. lineares GenomDNA Doppelstrang

und Coreproteine

3.Tegument (HSV: 23 virale/49 zelluläre Proteine)

2. Kapsid(HSV: 8 virale Kapsid

und Kapsid-assoziierte Pr.)

Field's Virology 2007 TEM

Strukturmerkmale des Virions

VirionSchema

intaktes Virionnegativ Kontrast

Kapsidnegativ Kontrast

KapsidUranylacetat (DNA)

KapsidUranylacetat (DNA) und Bleizitrat

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

Herpes Simplex Kapsid

T=16 icosahedral structure composed of the major capsid proteinhexons (blue)pentons (darker blue)two minor capsid proteins forming triplexes (green).

HerpesviridaeGemeinsamkeiten

• ds DNA Genom (140-240kb)• Kapsid• Tegument• Hüllmembran mit Glycoproteinen

Strukturmerkmale

Herpesviren Lebenszyklus

• Infektion und Virusreplikation• Latenz • Reaktivierung

TerminologieLatenz/Persistenz: Virus verbleibt dauerhaft im Körper latente Persistenz: Virus-freie Phasen, intermittierende Reaktivierungchronische Persistenz: infektiöse Partikel werden ständig gebildet

Herpesviridae:

Gemeinsame biologische Merkmale nach Fields: Virology

Biologische Merkmale1. virale Enzyme : DNA Metabolismus (Thymidine Kinase; Thymidylate

Synthase; Ribonukleotid Kinase)DNA Synthese (DNA Polymerase, HelikaseProzessierung von Proteinen)

2. Kern: Virale DNA Replikation und Kapsid AssemblierungZytoplasma: 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 humanpathogene Herpesviren

Herpes-Simplex Virus (HSV) 1+2 (HHV 1/2)

Varizella-Zoster Virus (VZV) (HHV 3)

Humanes Herpesvirus 6 A/B (HHV 6)

Epstein-Barr Virus (EBV) (HHV 4)

Cytomegalovirus (CMV) (HHV 5)

Humanes Herpesvirus 7 (HHV 7)

Kaposi Sarkom assoziiertes Herpesvirus (HHV 8)

Betaherpesviren

Enges Wirtszell-Spektrum

Langsame Replikation

Riesenzellen

GammaherpesvirenAlphaherpesviren

Breites Wirtszell-Spektrum

Schnelle Replikation

Latenz in sensorischen Ganglien

CMVHHV-6HHV-7

EBVKSHV

(HHV-8)

HSV-1HSV-2VZV

Mehr als 200 verschiedene Herpesviren sind bisher aus unterschiedlichen Tierarten (Vertebraten und Invertebraten) isoliert worden. Zoonosen sind nicht beschrieben. c.a. 42 sind sequenziert

Klassifizierung der humanen Herpesviridae nach biologischen Merkmalen

Sehr enges Wirtszell-Spektrum

LangsameReplikationLatenz in B-LymphozytenDNA Tumorviren

Phylogenie und Systematik der Herpesvirales

Herpesviridae

Alloherpesviridae

Malacoherpesviridae

International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV)

N NucleusNM Nuclear MembraneER Endocytoplasmic

ReticulumTGN Trans Golgi Network

E EnvelopementDE DeenvelopementRE Reenvelopement

DE

RE

E

TGN

TGN

Infektion und Virusreplikation(Überblick)

Eintritt in die Zelle

Anheftung viraler Glykoproteine an zelluläre Rezeptoren. Danach Fusion der viralen Hüllmembran mit der Zytoplasmamembran.Das virale Capsid tritt indas Cytoplasma ein.(Aber: auch Endozytose möglich)

DE

RE

E

TGN

TGN

Transport zum Zellkern

Das (nicht-umhüllte) virale Capsidwandert entlang des Cytoskelettszu den Kernporen. Die virale DNS wird in den Kern eingeschleust. Das virale Capsid bleibt zurück.

DE

RE

E

TGN

TGN

DNA Replikation im Zellkern(Latenz oder Lytische Replikation)

DE

RE

E

TGN

TGNLATENZ oder LYTISCHE REPLIKATION ?Das virale Genom zirkularisiert.

LATENZ: virus- und gewebespezifische eingeschränkte Genexpression

LYTISCHE REPLIKATION:Kaskade der viralen Genexpression immediate early: Transaktivatoren(delayed) early: Enzyme für virale DNA Synthese

Lytische Replikationlate: Strukturproteine (Kapsid-, Tegument und Hüllproteine)

Prozessierung und Verpackung der linearen viralen Genome in Kapside.

Morphogenese: Budding(Kernmembran/Envelopment)

DE

RE

E

TGN

TGN

Virale Kapside lagern sich an derKernlamina an und werden durchdie innere Kernmembran geschleusst.Die Virionen sind jetzt umhüllt !

MorphogeneseDe-envelopment/Re-envelopment

DE

RE

E

TGN

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.

Freisetzung der Nachkommenviren

Die infektiösen Viren werdenzur Zelloberfläche transportiert und dort freigesetzt.

DE

RE

E

TGN

TGN

Herpesviren

• Genomreplikation:virale DNA-Polymerasen mit Korrekturfunktion

• Tegument:Nukleäre und Zytoplasmatische Anteile der Wirtszelleim De-envelope/Re-envelope Model

• Hüllmembran:auch Proteine der Zellmembran der Wirtszelle

• Klassifizierung lytischer viraler Gene (Infektion/Reaktivierung):immediate early ► (delayed) early ► lateTranskriptions- ► DNA Replikation ► Strukturproteine

faktoren

Inhibitoren: Proteinsynthese virale DNA Replikation

Die ~ 30-40 "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 .

Herpesviren: Genomstruktur

Herpes-Simplex Virus

Humanes Herpesvirus 6

Varicella-Zoster Virus

Cytomegalovirus

TR: terminal repeat

IR: internal repeats

U: "unique"Virus/Wirt

oriP

oriLyt

Humanes Herpesvirus 8/Karposi-Sarcom Virus

Epstein-Barr Virus

DNA Replikation

TR

oriPTR

oriLyt

TR

oriLyt

oriP

TR

oriP

TR

oriP

TR

oriP

TRTR

TR

oriLyt

Latente Replikation(EBV u. KSHV/

zell. DNA Polymerase)

Lytische Replikationvirale DNA Polymerase

DNA ReplikationLatente DNA Replikation

• Replikationsursprung: oriP• zelluläre DNA Polymerase

virale Proteine:EBNA-1 (EBV)/LANA (KSHV)

• Zellzyklus synchron • Mechanismus:

semi.konservativ, bidirectional

Lytische DNA Replikation• Replikationsursprung: oriLyt• virale DNA Polymerase• 7 virale Proteine (delayed

early)

• Zellzyklus asynchron• Mechanismus:

rolling circle

oriPoriLyt EBNA-1

S-Phase: ReplikationM-Phase: Segregation

Episomale VektorenVirale Vektoren in der Gentherapie

• oriP• EBNA-1• Plasmid (ColE1/AmpR)

oriPEBNA-1

S-Phase: ReplikationM-Phase: Segregation

ColE1/AmpR

Stabile Replikation in Säugetierzellen

Amplifikation der Plasmide in Bakterien

YGF=Your Favourite Gene

Bacterial artificial chromosomes (BAC)

Moderne Herpesvirusgenetik(homologe Rekombination vs. klassische Klonierungsstrategien)

• bakteriellen Replikationsursprung (F-Plasmid)• bakteriellen Selektionsmarker (ampR,tetR)• eukaryonten Selektionsmarker (neoR,hygR)• Lebendfarbstoff (GFP)

ermöglichen die gezielte Mutagenese der viralen Genome und Amplifikation in E.coli

Beispiel:EBV

EBNA-1

ABC

EBNA-3

LMP-1LMP-2

TR

oriP

oriLyt

EBNA-LP

F-Plasmid ori

tetR/hygR

GFP

- BAC

neoR

Herpesviren

Primärinfektion

Latenzphase

Reaktivierung

eingeschränkteImmunität

[IgM] [IgG]

[IgG]

[IgG] [IgG][IgM]

Serologischer Nachweis einer Reaktivierung:[IgG] Titeranstieg[IgM] erneut vorhanden

Molekulargenetischer Nachweis der Virus DNA: quantitative PCR zum Nachweis im Serum (häufig nur nach Reaktivierung möglich)

Varizella Zoster

Durchseuchung: > 95% bei 16-17 Jährigen (Seroprevalenz)

Latenz in den Neuronen (und Glia/Satellitenzellen)der Spinalganglien

Übertragungsmodus: Tröpfcheninfektionpränatal und perinatal

Primäre Zielzellen:Ausbreitung durch mononukleäre Zellen des Blutes2. Phase: Endothelzellen - Epithelzellen der Haut

Impfung: Attenuierter Lebendimpfstoff

Varizella Zoster

Primärinfektion

Latenzphase

Reaktivierung

eingeschränkteImmunität

Alter

Windpocken (Varizellen)

Gürtelrose (Zoster)

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 5.- 24. SW

in 1-2 % kongenitales Varizellensyndrom(d.h. 30% Lethalität, neurologische Symptome, Skelettanomalien, Augenschäden)

Varizella Zoster

Zoster: Endogene Reaktivierung des latenten VZV

Risikogruppen:

immungeschwächte Bevölkerungsgruppen

20% aller seropositiven älteren Menschen, die Varizellen hatten (und nicht geimpft sind)

HHV6 und HHV7Roseoloviren (ß-Herpesviridae)

Durchseuchung: 95% der Bevölkerung im Alter von 2 JahrenÜbertragung: Speichel, prä- und perinatal

Primärinfektion: i.d. R. asymptomatisch

Krankheitsbilder: HHV6B- Drei-Tagefieber(15-25% der schweren fieberhaften Erkrankungendie zu Krankenhauseinwesungen führen) Reaktivierung kann Transplantatabstoßung führen (selten) Immunsupression: Pneumonitis/Enzephalitis

Herpes Simplex Virus 1

Primärinfektion

Latenzphase

Reaktivierung

eingeschränkteImmunität

UV, Stress……

Herpes Simplex Virus 1 und 2

• HSV1Herpes labialis, HornhautendzündungenHepatiden,

• HSV2Herpes genitalis Meningitiden, Herpes neonatorum, Hornhautendzündungen, Erhöhtes Risiko einer HIV Infektion

Herpes Simplex Virus 1 und 2

Durchseuchung: >75-95% HSV-1, 15-20% HSV-2

Latenz in regionalen NervenganglienHSV-1: Neurone der TrigeminusganglienHSV-2: Neurone der Lumbal- und Sakralganglien

Übertragungsmodi: - direkter Kontakt (Speichel, Rezidive)- perinatale Übertragung (HSV-2)- Sexualkontakt (HSV-2)

Primäre Zielzellen: Epithelzellen der Mukosa (oro-facial/genital)

Es steht kein Impfstoff zu Verfügung

HSV-1

Epithelzelle:Replikation

Nervenzelle:Latenz (LAT Expression)Reaktivierung

Regulation epigenetischer Veränderungen des Chromatins durch HSV

Epithelzelle:Transkriptionellaktives Chromatin des viralen Genoms

Nervenzelle:Transkriptionellinaktiviertes Chromatin des viralen Genoms

Knipe and Cliffe 2008

Nature Biotechnology 26, 400 - 401 (2008) Stefanie S Jeffrey

Reifungsstadien einer miRNA aus Pri-miRNA und Pre-miRNA

Craig Mello und Andrew Fire Nobelpreis 2006

Herpesviren exprimieren miRNAs

miR-Lat 1-6

kind giftby Rolf Renne

Jennifer Lin Umbach, Martha F. Kramer, Igor Jurak, Heather W. Karnowski, Donald M. Coen & Bryan R. CullenNature 454, 780-783 (7 August 2008)

Ausschnitt aus dem HSV-1 Genom:

Die LAT RNA ist die einzige RNA in den sensorischenGanglien

Sie kodiert nicht für Protein sondern für miRNAs

Die LAT RNA ist ein miRNA Vorläufer (pri-miRNA),der für 4 miRNAs kodiert

miRNA

Pre-miRNA

miR-H2 ist komplementär zu demimmediate early Gen ICP0 und hemmt dessen Translation

Protein RNA

Cytomegalievirus (CMV)

Durchseuchung: Deutschland 50%(sozioökonomische USA/Kanada 80%Unterschiede) Afrika 98-100%

Latenz in Monozyten/Granulozyten(?)

Übertragungsmodi: - direkter Kontakt (Speichel)- pränatal und perinatal - Blut & Blutprodukte- Organtransplantation

Riesenzellen/ Eulenaugenzellen

CMV

CMV RetinitisPneumonieGastroenteritis, ColitisEnzephalitis

AbstoßungsreaktionPneumonie

Primärinfektioni.d.r. ohne Symptome(Mononukleose)

bei immundefizienten AIDS-Patienten

bei immundefizientenTransplantationspatienten

konnataleCMV Infektion

HepatitisFehlbildungen von OrgansystemenChorioretinitisEncephalitis (geistige Behinderung)

Epstein-Barr Virus (EBV)

Primärinfektion

Latenzphase

Reaktivierung

Symptomlosoder Pfeiffersches DrüsenfieberInfektiöse Mononukleose

Immune surveillanceImmunsupressionHIV Infektion

Kissing Disease

Tumoren:u.a. Post-Transplantlymphome

B-Zellaktivierung und Differenzierung

Gedächtnis B-Zelle

Plasmazelle

TonsilleLymphknoten

Antigenkontaktund T-Zellhilfe

Proliferation

ProliferationHypermutationClass Switch

Selektion

Aktivierung der naivenB-Zelle

Differenzierung zurKeimzentrums B-Zelle

Differenzierung zurGedächtnis B-Zelle

Der Lebenszyklus des EBV (Pathogenese)

Post-transplantLymphomAIDS assoziierte B-Zelllymphome

Hodgkin LymphomBurkitt Lymphom

Infektionder primären naiven B-Zelle

Differenzierung zumaktivierten Lymphoblasten

Proliferation

Gedächtnis B-Zelle

Virus Reservoir: Periphere B-Zelle

Differenzierung zur Keimzentrums

B-Zelle

Differenzierung zur Gedächtnis

B-Zelle

Plasmazelle

Tonsillelytische Replikation

latente Replikation

latente Replikation

oriP

oriP

oriLyt

Latenzphasen assoziiert mitProliferation !

Schrittweise Abschaltung der viralen Genexpression !

EBV

Durchseuchung >95%

Latenz in den Gedächtnis B-Zellen

Übertragungsmodus: - Tröpfcheninfektion

Primäre Zielzellen: B-Lymphozyten

EBV assoziierte Tumoren• Burkitt‘s Lymphoma

Reed Sternberg Zelle

EBV assoz.40% Westl. Welt90% Südamerika

• Morbus Hodgkin

• Post-Transplant Lymphome • AIDS assoziierte Lymphome• Nasopharynx Karzinome• lymphoepitheliale Magenkarzinom• (Autoimmune Erkrankungen)

Disease Association

1. Infectious Mononucleosis2. Burkitt's lymphoma3. Nasopharyngeal carcinoma4. Lymphoproliferative disease and lymphoma in the

immunosuppressed.5. X-linked lymphoproliferative syndrome6. Chronic infectious mononucleosis7. Oral leukoplakia in AIDS patients8. Chronic interstitial pneumonitis in AIDS patients.

Epstein-Barr Virus

Burkitt Lymphom (Dennis Burkitt 1958)• zytogenetische Marker: reziproke Translokation Chr.8 und

Chr.14 oder Chr.2, 22Chr. 8 c-myc Proto-onkogen (Transkriptionfaktor)Chr. 2, 22 und 14 Immunglobulin (Starke Enhancer der

Transkription)

• endemische Burkitt

95% EBV assoziiert

• sporadische Burkitt20% EBV assoziiert

Epstein-Barr Virus

• ruhende B-Zelle

• EBV Infektion Polyklonale B-Zellaktivierung

• Malaria Infektion Polyklonale B-Zellaktivierung

• Keimzentrumsreaktion Sekundäre genetische Ereignisse

HypermutationSwitching

Chromosomale TranslokationAktivierung des c-myc Gens

Die multifaktorielle Entstehung des endemischen Burkitt Lymphoms

Kaposi’s sarcoma isassociated

with a new humanHerpesvirus

KSHV/HHV-8

1994 Moore and Chang

KSHV (Kaposi-Sarkom assoziiertes Herpesvirus)

Durchseuchung: Deutschland 2-3%Mittelmeerländer 10-50%Zentralafrika >50%

Kaposi Patienten: Latente Infektion in B-Lymphozyten des perpheren Blutes,Endothelzellen, Monozyten, Keratinozyten im Bereichder Läsionen des Kaposi

Übertragungsmodi: - direkter Kontakt (Speichel)- Sexualkontakt- Blut und Blutprodukte

Primäre Zielzellen und Ort der Latenz in immunkompetenten Menschen ist umstritten

Kaposi Sarkom Inzidenzund Seroprevalenz von KSHV korrelieren.

Die HAART Therapie zur Behandlungvon HIV hat zu einem deutlichen Rückgang der Inzidenz von AIDS assoziierten Kaposi Sarkomen geführt.

Tom Hanksin

Philadelphia

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

KSHV-Klinik

Primärinfektion:• asymptomatisch/selten Fieber und Exantheme

Maligne Erkrankungen• Kaposi Sarkom (Endothelzellen)

klassische KS – Häufig Männer im Alter > 60 Jahrenendemisch 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

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 KempkesHämotologikumHelmholtz Zentrum MünchenMarchioninistr. 2581377 München (Großhadern)

Kempkes@helmholtz-muenchen.de