Mit Antisense Herpesinfektionen verstehen

Das Forschungsteam von Prof. Markus Landthaler am MDC hat gemeinsam mit Kooperationspartnern entdeckt, dass ein Herpesvirus die Produktion von mehr als 1.000 „Antisense“-Transkriptionen in infizierten Zellen auslöst. Dies weist auf einen bisher unbekannten Mechanismus hin, der es Viren ermöglicht, die zelluläre Abwehr außer Gefecht zu setzen.

Ein paar Zeilen Programmcode reichen aus, um die Dateien eines Computers und des gesamten mit ihm verbundenen Netzwerks zu verseuchen. Auch Herpes- und andere Viren, die menschliche Zellen infizieren, enthalten nur wenige Informationen. Doch diese genügen ihnen, um die Kontrolle über biologische Abläufe in der Zelle zu übernehmen und sie in eine Viren-Reproduktionsfabrik zu verwandeln.

Mit der Beantwortung der Frage, wie genau den Viren das gelingt, steht die Wissenschaft bisher noch am Anfang. Im Rahmen eines Forschungsprojekts zum Herpes-simplex-Virus 1 (HSV-1) hat das Team von Prof. Markus Landthaler am Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB) des MDC jetzt eine völlig neue Wirkungsweise von Viren entdeckt. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Virologie der Medizinischen Fakultät der Universität des Saarlandes sowie weiteren europäischen Partnern fanden die Forscher heraus, dass HSV-1 Wirtszellen dazu bringt, über 1.000 Zellinformationseinheiten „rückwärts“ zu erstellen und damit unleserlich zu machen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Wissenschaftler in der neusten Ausgabe der Zeitschrift Genome Biology, die dem Thema „RNA and Gene Regulation“ gewidmet ist.

Etwa ein Drittel der Weltbevölkerung ist Schätzungen zufolge mit HSV-1 infiziert. Das Virus bleibt die meiste Zeit über inaktiv und tritt nur über kurze Phasen zutage, in denen es sich vermehrt und ausbreitet. Die betroffenen Menschen leiden selten unter mehr als dem typischen Herpesausschlag. Doch seine spezifischen Eigenschaften machen das Virus zu einem geeigneten Labormodell für Untersuchungen zu sieben weiteren Herpesformen, die ebenfalls beim Menschen auftreten können und in einigen Fällen sehr viel gefährlicher sind.

„Die aktive Phase von HSV-1 zeichnet sich besonders durch eine massive Stilllegung des Genoms in der infizierten Zelle aus,“ sagt Prof. Landthaler. „Mit dem Forschungsprojekt hofften wir uns ein genaueres Bild davon zu verschaffen, wie dieser Prozess im Einzelnen abläuft. Dabei entdeckten wir einen Vorgang, der bisher noch nie bei einer Virusinfektion beobachtet wurde.“

Rückwärts lesen

Eine Stilllegung des Wirtszellen-Genoms bedeutet, dass die Zelle keine DNA-Sequenzen mehr in RNA-Moleküle überschreiben kann. Einige dieser Sequenzen enthalten die chemischen Rezepte, die zur Bildung von Proteinen benötigt werden. Bei dem Rest handelt es sich um nicht-kodierende RNA, die andere wichtige Aufgaben in der Zelle haben kann.

Gemeinsam mit Jennifer Menegatti vom Forscherteam um Prof. Friedrich Grässer an der Medizinischen Fakultät der Universität des Saarlandes gelang es den Hauptautoren Dr. Emanuel Wyler (Arbeitsgruppe von Prof. Landthaler) und Dr. Vedran Franke (Arbeitsgruppe von Dr. Altuna Akalin), vollständige RNA-Sätze zu erfassen, die von Zellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten einer Infektion erstellt wurden. Indem sie die Moleküle den entsprechenden DNA-Sequenzen der Zelle zuordneten, konnten die Forscher die RNA-Sätze, die vor einer Infektion entstanden, mit denen vergleichen, die die Zelle im infizierten Zustand produzierte. Das sollte ihnen dabei helfen, nachzuverfolgen, wie das Virus nach und nach bestimmte Regionen des Genoms stilllegte.

Dabei fiel den Forschern auf, dass viele der RNA-Transkripte an ungewöhnlichen Stellen begannen und endeten und dabei Informationen einschlossen, die gesunde Zellen nicht vorweisen. „Die RNA-Transkription startet normalerweise damit, dass sich eine molekulare Maschine an eine DNA-Sequenz, den Promoter, bindet“, erklärt Dr. Wyler. „Dieser verweist die Maschine auf eine nahegelegene DNA-Region, die die chemische Rezeptur für eine RNA enthält. Die Maschine bewegt sich in die entsprechende Richtung, liest dabei die „Buchstaben“ der DNA-Sequenz und erstellt nach dieser Anleitung ein RNA-Molekül. Irgendwann erreicht die Maschine dann einen Stopp-Befehl.“

Durch die Infektion wurde die Maschine jedoch gestört. Sie konnte die korrekten Start- und Endpunkte auf der DNA-Sequenz nicht finden, sodass sie den „Stopp-Code“ überlas – man nennt dieses Überlesen auch „Readthrough“. Da schon andere Forscherteams von diesem Phänomen im Zusammenhang mit HSV-1-Infektionen berichtet hatten, war es für die Wissenschaftler keine große Überraschung.

Ganz im Gegensatz zu einer weiteren Beobachtung: Im weiteren Verlauf der Infektion häuften die Zellen Kopien der „Antisense-RNA“ an, eines anderen Molekültyps. Dies bedeutete, dass der Transkriptionsapparat, der die RNA übertrug, die DNA-Sequenz rückwärts ablas. Insgesamt konnten die Forscher über 1.000 dieser Antisense-RNA identifizieren, die von der Zelle in direkter Reaktion auf die Infektion produziert wurden.

Sense und Antisense

Im Deutschen liest man Wörter von links nach rechts, im Arabischen ist die Leserichtung dagegen genau umgekehrt. Bestimmte Regionen des Genoms verhalten sich wie unterschiedliche Sprachen: Einige werden normalerweise von hinten nach vorne auf dem Chromosom  transkribiert, andere genau andersherum. Jede Region lässt sich also im Prinzip in beide Richtungen ablesen, doch nur eine der Richtungen ergibt jeweils Sinn. Trotzdem werden manchmal zwei entgegengesetzte Transkripte derselben Sequenz erstellt.

Eine HSV-1-Infektion veranlasst nun plötzlich, dass große Teile des Genoms in beide Richtungen transkribiert werden – ähnlich, als würde man das menschliche Auge zwingen, denselben Text gleichzeitig von links nach rechts und von rechts nach links zu lesen. Selbst wenn man die Augen mit viel Übung dazu bringen könnte, wäre das Hirn mit der Interpretation der Signale höchstwahrscheinlich überfordert. Für die Zelle ist es möglicherweise ähnlich schwierig, Sequenzen in beide Richtungen gleichzeitig abzulesen und die so entstehenden Transkripte sinnvoll zu verarbeiten.

„In diesem Fall“, sagt Dr. Franke, „würden die beiden Transkriptionsapparate aus unterschiedlichen Richtungen kommend zusammenstoßen, und keine der beiden RNA würde produziert.“ Möglicherweise hat der virale „Antisense“ also einen Sinn, denn er würde dann als weitere Methode dienen, die Produktion zellulärer Proteine zu blockieren, sobald das Virus in die infektiöse Phase eintritt.

Eine Überlebensstrategie?

Eines der neu entdeckten Transkripte war für die Forscher besonders spannend, denn es überschnitt sich mit dem Gen BBC3. „Wird Sense-RNA auf Grundlage dieses Gens erstellt, so produziert diese später das BBC3-Protein“, erklärt Prof. Landthaler. „Dieses Molekül ist als Mitauslöser der Apoptose bekannt, einer Art Zellsuizid, die zu den normalen körperlichen Abwehrmechanismen gegen Virusinfektionen zählt. Mit HSV-1 infizierte Zellen versuchen zunächst, ein Apoptose-Programm zu starten, um so die Vermehrung und Ausbreitung des Virus einzudämmen. Doch das Virus wirkt diesen Maßnahmen entgegen.“ In weiteren Experimenten wiesen die Forscher nach, dass durch die Erstellung eines Antisense-Transkripts dieser Region die Produktion von BBC3 in der Sense-Richtung gestört werden konnte.

Die Antisense-Transkription beginnt fast unmittelbar mit der Infektion und weitet sich im Laufe der Zeit aus. Erste Ergebnisse zeigen, dass virale Faktoren diese fortschreitende Entwicklung, die bis zu einer allgemeinen Störung der zellulären Transkriptionsmaschine gehen kann, aktiv mit auslösen.

Eine Auswertung von Daten, die bereits von anderen Forscherteams erhoben wurden, zeigte, dass auch Windpocken – die durch das Varizella-Zoster-Virus, ein weiteres Herpesvirus, verursacht werden – ebenfalls die Produktion hunderter Antisense-RNA anzuregen scheinen. Die übrigen fünf Herpes-Stämme schienen diesen Effekt nicht zu haben.

„Dies ist ein Hinweis darauf, dass wir es mit einem völlig neuen und überraschenden Mechanismus zu tun haben, durch den HSV-1 und möglicherweise noch weitere Viren Zellen stören und dabei günstige Bedingungen für ihre eigene Vermehrung schaffen,“ sagt Prof. Landthaler.

Weiterführende Informationen


Emanuel Wyler, et al. (2017): „Widespread activation of antisense transcription of the host genome during herpes simplex virus 1 infection.“ Genome Biology 18: 209. (Open Access) doi:10.1186/s13059-017-1329-5

Beitragsbild: Künstlerische Darstellung von HSV-1 auf der Oberfläche einer Zelle. Credit: Russ Hodge, MDC (CC-BY)