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Lexikon der Biologie: Polyomaviren

Polyomaviren [von *poly- ], Polyomaviridae, früher Gattung Polyomavirus der Papovaviren, inzwischen jedoch eine eigenständige Familie der Viren mit der Gattung Polyomavirus und dem Simian virus 40 (SV40) als Typusart. Polyomaviren sind kleine DNA-Viren, die in ihren natürlichen Wirten (Mensch, Affe, Nagetier u.a.) meist unauffällige und latente Infektionen verursachen ( vgl. Infobox ) und nicht onkogen sind, jedoch nach Injektion in geeignete Versuchstiere (Hamster, Maus, Ratte) Tumoren erzeugen und verschiedene Zellen in vitro transformieren können (DNA-Tumorviren). Die Familie erhielt ihren Namen von dem Polyomavirus, einem in Mäusen weitverbreiteten Virus, das nach Injektion in suszeptible Versuchstiere eine Vielzahl verschiedenartiger Tumoren erzeugt (Name!). Wegen ihrer zelltransformierenden Eigenschaften und der geringen Genomgröße werden Polyomaviren (besonders SV40 und Polyomavirus) seit Jahren sehr intensiv untersucht. Vom Menschen sind 2 Polyomaviren isoliert worden, das JC- und BK-Virus ( vgl. Infobox ). Die Primärinfektion erfolgt in der Kindheit, in der Regel ohne Krankheitserscheinungen. Die Viren persistieren im Körper und können unter bestimmten Umständen (bei Beeinträchtigung des Immunsystems, Schwangerschaft, Diabetes) reaktiviert und dann im Urin ausgeschieden werden. Das JC-Virus besitzt einen ausgeprägten Neurotropismus; es ist der Erreger der progressiven multifokalen Leukoencephalopathie (Abk. PML), einer seltenen, meist tödlich verlaufenden Erkrankung des Zentralnervensystems, die bei Patienten mit Immundefizienzen, lymphoproliferativen oder chronischen Erkrankungen auftreten kann. Im Gehirn von PML-Patienten sind große Mengen an Partikeln und DNA des JC-Virus vorhanden. Das Virus infiziert und zerstört hauptsächlich Oligodendrocyten. JC- und BK-Virus sind onkogen bei Inokulation in neugeborene Hamster. Es gibt jedoch keine Hinweise dafür, daß Polyomaviren bei Tumorerkrankungen des Menschen eine Rolle spielen (im Gegensatz zu Papillomviren). Polyomaviren besitzen sphärische Virionen (Durchmesser 45 nm, Ikosaedersymmetrie, keine lipidhaltige Hülle) und als Genom ( vgl. Abb. ) eine ringförmige, doppelsträngige DNA von 4,7–5,3 kb (SV40 5243 bp, JC-Virus 5130 bp, murines Polyomavirus 5297 bp). Ein allen Polyomaviren gemeinsames, gruppenspezifisches Antigen ist im Viruscapsid lokalisiert. Polyomaviren besitzen ein sehr eingeschränktes Wirtsspektrum; ein Virus kann meist nur eine Tierart oder sehr nahe verwandte Arten infizieren. In der Zellkultur verläuft eine Infektion mit Polyomaviren in Abhängigkeit von Herkunft und Zustand der Wirtszelle entweder produktiv oder nichtproduktiv: a) permissive Zellen (SV40: Affenzellen, Polyomavirus: Mäusezellen) produzieren infektiöses Virus und werden durch die Infektion zerstört; b) nichtpermissive Zellen (SV40: Mäusezellen, Polyomavirus: menschliche und Affenzellen) werden transformiert, es findet keine Virusproduktion statt; c) in semipermissiven Kulturen (SV40: Zellen von Mensch, Ratte, Hamster; Polyomavirus: Hamster- und Rattenzellen) erfolgt eine Virusvermehrung nur in sehr wenigen Zellen, während die anderen Zellen entweder vorübergehend oder bleibend transformiert werden (abortive bzw. stabile Transformation). Der Ablauf einer produktiven Infektion oder Zelltransformation und die Expression der viralen Gene in den verschiedenen Wirtszellen sind detailliert untersucht worden.

E.S.

Polyomaviren

Polyomaviren und die durch sie verursachten Infektionen:

Polyomaviren des Menschen
BK-Virus (BK polyomavirus):
häufige Infektion in der Kindheit, Virus persistiert in den Nieren, wurde ursprünglich isoliert aus dem Urin eines unter immunsuppressiver Therapie stehenden Nierentransplantat-Empfängers; DNA 5153 Basenpaare
JC-Virus (JC polyomavirus):
häufige Infektion in der Kindheit, Virus persistiert in den Nieren, verursacht progressive multifokale Leukoencephalopathie (PML) in immungeschwächten Patienten, wurde aus dem Gehirn eines PML-Patienten isoliert

Polyomaviren der Affen
SV40 (Simian virus 40):
natürliche Infektion bei Makaken in Afrika, Virus persistiert in den Nieren, kann PML-artige Erkrankung in immungeschwächten Makaken hervorrufen; DNA 5243 Basenpaare
B-Lymphotropes Polyomavirus (African green monkey polyomavirus):
Virus von afrikanischen grünen Meerkatzen, Wirtsbereich in vitro auf immortalisierte und transformierte B-Lymphocyten von Affe und Mensch beschränkt, Transformation von Hamsterzellen; DNA 5270 Basenpaare

Polyomaviren der Rinder
Rinder-Polyomavirus (Bovine polyomavirus):
häufige Infektion bei Rindern, Virus persistiert wahrscheinlich in den Nieren

Polyomaviren der Nagetiere und Hasenartigen
Polyomavirus (Murine polyomavirus):
natürliche Infektion bei wildlebenden Mäusen, ebenfalls Infektion von Labormäusen; Virus persistiert in den Nieren; DNA 5292 Basenpaare
K-Virus:
natürliche Infektion bei Mäusen, Virus infiziert Lungenendothel
Hamster-Polyomavirus:
verursacht Hauttumoren bei Hamstern



Polyomaviren

Genomorganisation und Genexpression von Polyomaviren:
Im Genom der Polyomaviren (Beispiel: die 5243 Basenpaare umfassende SV40-DNA) ist die genetische Information auf beide DNA-Stränge verteilt (im Gegensatz zu Papillomviren). Frühe und späte Gene (s.u.) sind in 2 getrennten Transkriptionseinheiten jeweils blockweise zusammengefaßt; die Gene jeder Region sind überlappend angeordnet. Frühe und späte Region sind durch eine nichtcodierende Region getrennt, in der Signalstrukturen für die Regulation der Transkription und DNA-Replikation in komplexer und überlappender Weise angeordnet sind: 1) Replikationsursprung (OR oder ori, von engl. origin of replication), dort erfolgt der Start der DNA-Replikation; 2) Promotoren für die Transkription der frühen und späten Gene; 3) Bindungsstellen für virale und zelluläre Transkriptionsfaktoren; 4) Verstärkerelemente der Transkription (engl. enhancer, bei SV40 in einer repetierten Sequenz von 72 Basenpaaren lokalisiert). – Die Transkription der frühen und späten Gene beginnt jeweils im ori-Promotor-Bereich und verläuft in entgegengesetzter Richtung. Durch differentielles Spleißen (herausgeschnittene Intronsequenzen sind durch Zickzack-Linien gekennzeichnet) werden die für die verschiedenen Virusproteine codierenden mRNAs erzeugt (die Protein-codierenden Abschnitte sind als graue offene Pfeile in 5'→3'-Richtung der mRNA dargestellt). Alle frühen bzw. späten mRNAs besitzen jeweils identische 3'-Enden und Polyadenylierungsstellen (A). Für das in der Abb. dargestellte SV40-Genom sind die Positionen der Schnittstellen von 3 Restriktionsenzymen angegeben. Die Zahlenangaben von 0–5243 im inneren Kreis beziehen sich auf die Nucleotidsequenz; außerdem ist das Genom in relative Einheiten von 0–1 unterteilt. Produktive Infektion: Nach Anheftung an die Zelloberfläche (attachment; Adsorption) werden die Viruspartikel durch Pinocytose aufgenommen und in den Zellkern transportiert; dort finden die Replikation und der Zusammenbau der neugebildeten Viruspartikel (assembly) statt, deren Freisetzung durch Zerstörung der Zelle erfolgt. Nach dem Uncoating beginnt die Expression der frühen Virusgene; durch alternatives Spleißen des Primärtranskripts werden 2 (bei SV40) bzw. 3 (bei Polyomavirus) frühe Virusproteine (T-Antigene) produziert, die identische N-terminale, aber unterschiedliche C-terminale Aminosäuresequenzen besitzen. Das große (large) T-Antigen ist ein multifunktionales Phosphoprotein (hauptsächlich im Zellkern lokalisiert), das bei der DNA-Replikation, der Regulation der Transkription und der Zelltransformation (s.u.) eine essentielle Rolle spielt. In der frühen Phase der Infektion, d.h. vor Beginn der DNA-Replikation, kommt es zur Induktion von Wirtszellfunktionen; die zelluläre DNA-, RNA- und Proteinsynthese wird stimuliert. Die überspiralige (engl. supercoiled) Virus-DNA liegt im Zellkern als mit Nucleosomen besetztes sog. Minichromosom vor. Bindung des großen T-Antigens an spezifische Bindungsstellen im ori-Bereich (OR) ist erforderlich, um die Replikation der viralen DNA-Moleküle zu initiieren; sie verläuft dann bidirektional. Mit Beginn der DNA-Synthese (ca. 12–15 Stunden nach Infektion) setzt auch die Transkription der späten Gene ein (späte Phase der Infektion). Es werden 4 Virionproteine synthetisiert: VP1 (Hauptstrukturprotein des Viruscapsids), VP2 und VP 3 (Nebenstrukturproteine) und ein sog. Agnoprotein unklarer Funktion. In der späten Phase wird die Transkription der frühen Gene durch Bindung des großen T-Antigens in der ori-Promotor-Region herabgesetzt, aber nicht völlig abgeschaltet (Autoregulation). Eine weitere Funktion des großen T-Antigens ist die Aktivierung der späten Transkription. – In für Adenoviren nichtpermissiven Affenzellen kann SV40 die Replikation dieser Viren ermöglichen, entweder durch Coinfektion oder durch genetische Rekombination (Adenovirus-SV40-Hybride).
Zelltransformation: Geeignete semi- oder nichtpermissive Zellen können durch Polyomaviren transformiert werden. Entwicklung und Aufrechterhaltung des transformierten Zustands sind von der Expression der frühen Virusgene abhängig. Das große T-Antigen bewirkt die Immortalisierung der Zellen (permanentes Wachstum in der Zellkultur), hauptsächlich durch Bindung und Inaktivierung der zellulären Tumorsuppressorproteine p53 und pRB. Für die vollständige Zelltransformation durch Polyomavirus ist die Aktivität des mittleren T-Antigens (Phosphoprotein, in Plasmamembran lokalisiert) erforderlich, das wie ein aktivierter Wachstumsfaktorrezeptor wirkt. Bei SV40, das kein mittleres T-Antigen bildet, sind die getrennten Funktionen des großen und mittleren T-Antigens von Polyomavirus im großen T-Antigen vereinigt. Für die vollständige Transformation menschlicher Zellen durch SV40 ist das kleine (small) T-Antigen notwendig, das durch Störung der Proteinphosphatase 2A (PP2A) eine Vielzahl intrazellulärer Signalwege beeinflußt. In den transformierten Zellen ist die Virus-DNA in das Genom der Wirtszelle integriert. Die Integration findet unspezifisch in beliebige Stellen des Wirtsgenoms statt; spezifische Integrationsstellen im Virusgenom liegen ebenfalls nicht vor. Es existieren keine Homologien zwischen viralen und zellulären Sequenzen an den Integrationsstellen. Bei oder infolge der Integration kann es zu Deletionen, Duplikationen, Insertionen und Inversionen kommen, die integrierte Virus-DNA enthält jedoch immer die frühe Promotorregion sowie die frühe Genregion (bei Polyomavirus-transformierten Zellen kann unter Umständen der 3'-terminale Bereich der frühen Region deletiert sein; in den Zellen wird ein intaktes mittleres und kleines T-Antigen synthetisiert). Enthält eine transformierte Zelle mehrere integrierte Kopien der Virus-DNA, so liegen sie oft in tandem in Kopf-Schwanz-Anordnung vor. Bei Fusionierung von SV40-transformierten Zellen mit permissiven Affenzellen kann es zur Reaktivierung und Bildung infektiöser Viruspartikel kommen.

E.S.

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Wirth, Prof. Dr. Volkmar (V.W.)
Wolf, Dr. Matthias (M.Wo.)
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