Die Etablierung persistierender Herpes-Simplex-Virus-Infektionen in Ganglien des peripheren Nervensystems

Dreidimensionale Rekonstruktion einer mit Herpes-Simplex-Virus infizierten Nervenzelle: Der Zellkörper der Nervenzellen (blau) ist gefüllt mit neu gebildeten viralen Kapsiden (rot) und einige sind schon in die Axone der Nervenzelle transportiert worden.

Ein bisschen Creme, ein paar Tage Geduld ‑ und Herpes scheint schnell geheilt. Die Infektion ist jedoch nicht besiegt, wenn die Bläschen von den Lippen oder im Genitalbereich wieder verschwinden. Alphaherpesviren verstecken sich in Nervenzellen und können immer wieder reaktiviert werden. Die WHO hat im Jahr 2012 geschätzt, dass etwa die Hälfte der Weltbevölkerung  mit Herpes Simplex Virus Typ 1 und mehr als jeder 10. Mensch mit Herpes Simplex Typ 2 infiziert sind, auch wenn es nur bei einem Teil der Infizierten zu Krankheitssymptomen kommt (http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs400/en/).

Das Team um Beate Sodeik untersucht, wie die Herpes Simplex Viren in verschiedene menschliche Zellen eindringen und ihr Genom im Zellkern der Wirtszellen zur Expression bringen. Die Wissenschaftlerinnen  untersuchen die Proteine der Wirtszellen, welche den in die Zelle eintretenden Herpesviren helfen, um die viralen Kapside zum Zellkern zu schicken, wo sie die viralen Genome durch die Kernporen in den Zellkern freisetzen. Im Zellkern werden die viralen Genome ausgelesen, um dann virale Proteine und neue Viruspartikel herzustellen und wieder frei zu setzen. Der aktuelle Schwerpunkt ihrer Untersuchungen ist die Infektion von Nervenzellen des peripheren Nervensystems, in denen Herpes Simplex Viren lebenslang persistieren. Die Wissenschaftlerinnen wollen die Regulierung dieser Faktoren in den unterschiedlichen menschlichen Zelltypen verstehen, um daraus mögliche neue Therapieansätze zu entwickeln.

Wissenschaftliche Vorgehensweise

In diesem Projekt wird ein experimentelles Modell für den Zelleintritt von HSV1 in Nervenzellen aufgebaut. So wollen die Forscher die durch HSV1 aktivierten intrazellulären Signalwege und die spezifischen Virus-Wirt-Interaktionen charakterisieren. Basis ist ein neu entwickeltes, polarisiertes Zellkultursystem aus sogenannten Microfluidic-Kammern. Sie erlauben den Wissenschaftlern einen selektiven Zugang zu den Nervenendigungen, wie sie auch in der Haut des Menschen infiziert werden. Hierzu kultiviert das Team primäre Nervenzellen aus den dorsalen Rückenmarksganglien von Mäusen. So kann die Gruppe selektiv die Somata oder die präsynaptische Plasmamembran am Ende der Axone mit Virus inokulieren. Dieses System eignet sich für die Infektion mit HSV1 sowie für HSV2.Für die Analyse des Zelleintritts werden neue von der Arbeitsgruppe hergestellte, rekombinante, fluoreszenzmarkierte HSV1-Stämme verwendet. Diese exprimieren ein oder zwei an virale Kapsid-, Tegument- oder Hüllproteine gekoppelte fluoreszierende Proteindomänen (mCherry, GFP). So kann das Forscherteam die intrazellulären Transportwege der einzelnen Viruskomponenten und ihre Interaktionen mit zellulären Strukturen in lebenden Zellen untersuchen, ein Beispiel dazu ist in dem Video unten zu sehen.  Zudem kann analysiert werden, ob die virale Fusion mit der Plasmamembran, endozytotische HSV1-Eintrittswege, der axonale Transport oder die Ansteuerung der Kernporen nach Hemmung spezifischer Wirtsproteine der Nervenzellen blockiert sind.

Das Team charakterisiert die zellulären Mechanismen mittels derer die eintretende HSV1-Kapside mit den darin enthaltenen viralen Genomen von den Nervenendigungen zum Soma und dem Kern der Nervenzellen transportieren werden. Sie untersuchen mögliche Funktionen der Mikrotubuli-assoziierten Proteine Dynein, Dynactin und Kinesin-1 und von spezifischen Kernimportfaktoren und der Kernporenproteine. Viele dieser Wirtsproteine kommen in verschiedenen Isoformen vor und bilden Proteinkomplexe, deren Untereinheiten in verschiedenen Zelltypen unterschiedlich stark exprimiert sind. Die Forscher hemmen diese Proteine durch pharmakologische Hemmstoffe oder RNA-Interferenz mittels shRNA-Lentiviren. Die so behandelten Zellen werden infiziert, um die Auswirkungen der Hemmung auf den Zelleintritt von HSV1 in Nervenzellen untersuchen.

Primäre Nervenzellen (rote Punkte) in der mikrofluidischen Kammer: Die Nervenzellen wachsen und bilden Axone (rote Linien).

Lebendzelluntersuchungen des Eintritts von Herpes-Simplex-Viren in eine primäre Nervenzelle, die in einer speziellen mikrofluidischen Kammer kultiviert wurde.

Alphaherpesviren (grün) treten an den Axonendigungen (axon terminus) über Fusion der viralen Membranhülle mit der axonalen Plasmamembran in die Nervenzelle ein. Herpes-Simplex-Viren in Endosomen oder die viralen ikosaedrischen Kapside (grün) werden entlang von Mikrotubuli von den Plusenden zu den Minusenden am Mikrotubuli-organisierenden Zentrum (MTOC) im Zellkörper der Nervenzelle transportiert. Die eintretenden Kapside docken an die Kernporen (lila) der Kernmembran an, und die viralen Genome (grün) werden durch die Kernporen in das Kernplasma frei gesetzt.

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines HSV1-Kapsids (rot), welches an eine Kernpore (gelb) andockt und sein virales Genom (grün) in den von den beiden Kernmembranen (blau) umgebenen Zellkern injiziert.

Beate Sodeik erzählt über ihre Forschung im SFB 900

Beate Sodeik ist seit Gründung des SFBs im Jahr 2010 mit dabei und erforscht mit ihrem Team, wie Herpes Simplex Viren in verschiedene menschliche Zellen eindringen und ihr Genom im Zellkern der Wirtszellen zur Expression bringen. Vorrangig konzentriert sich die Arbeitsgruppe auf Infektionen der Nervenzellen.

Publikationen des Forschungsprojektes C2

  • The interferon-inducible GTPase MxB promotes capsid disassembly and genome release of herpesviruses. Serrero, M.C., Girault, V., Weigang, S., Greco, T.M., Ramos Nascimento, A., Anderson, F., Piras, A., Hickford Martinez, A., Hertzog, J., Binz, A., Pohlmann, A., Prank, U., Rehwinkel, J., Bauerfeind, R., Cristea, I.M., Pichlmair, A., Kochs, G., and Sodeik, B. Elife 2022 11, 10.7554/eLife.76804. DOI: e76804 [pii]
  • The journey of herpesvirus capsids and genomes to the host cell nucleus. Döhner K, Cornelius A, Serrero MC, Sodeik B. Curr Opin Virol 2021; 50
  • Human IFITM3 restricts chikungunya virus and Mayaro virus infection and is susceptible to virus-mediated counteraction. Franz S, Pott F, Zillinger T, Schüler C, Dapa S, Fischer C, Passos V, Stenzel S, Chen F, Döhner K, Hartmann G, Sodeik B, Pessler F, Simmons G, Drexler JF, Goffinet C. Life Sci Alliance 2021; 4; 7

  • Disturbed gut microbiota and bile homeostasis in Giardia-infected mice contributes to metabolic dysregulation and growth impairment. Riba A, Hassani K, Walker A, van Best N, von Zeschwitz D, Anslinger T, Sillner N, Rosenhain S, Eibach D, Maiga-Ascofaré O, Rolle-Kampczyk U, Basic M, Binz A, Mocek A, Sodeik B, Bauerfeind R, Mohs A, Trautwein C, Kiessling F, May J, Klingenspor M, Gremse F, Schmitt-Kopplin P, Bleich A, Torow N, von Bergen M, Hornef MW. Sci Transl Med. 2020 Oct 14 ;12(565):eaay7019.

  • Herpes Simplex Virus Type 2 Counteracts Neurite Outgrowth Repulsion During Infection In A Nerve Growth Factor-Dependent Manner. Kropp KA, López-Muñoz AD , Ritter B, Martín R, Rastrojo A,Srivaratharajan S , Döhner K,Dhingra A, Czechowicz JS, Nagel CH, Sodeik B, Alcami A, Viejo-Borbolla A. J Virol. 2020 Sep 29 ;94(20):e01370-20.

  • Absence of cGAS-mediated type I IFN responses in HIV-1-infected T cells. Elsner C, Ponnurangam A, Kazmierski J, Zillinger T, Jansen J, Todt D, Döhner K, Xu S, Ducroux A, Kriedemann N, Malassa A, Larsen P-K, Hartmann G, Barchet W, Steinmann E, Kalinke U, Sodeik B, Goffinet C. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Aug 11 ;117(32):19475-19486.

  • Quantitative Microscopy Reveals Stepwise Alteration of Chromatin Structure During Herpesvirus Infection. Aho V, Mäntylä E, Ekman A , Hakanen S , Mattola S , Chen JH , Weinhardt V , Ruokolainen V , Sodeik B , Larabell C , Vihinen-Ranta M. Viruses. 2019 Oct 11 ;11(10):935
  • Characterization of the Filovirus-Resistant Cell Line SH-SY5Y Reveals Redundant Role of Cell Surface Entry Factors. Zapatero-Belinchón FJ, Dietzel E ,Dolnik O, Döhner K, Costa R ,Hertel B, Veselkova B , Kirui J, Klintworth A, Manns MP, Pöhlmann S, Pietschmann T, Krey T, Ciesek S , Gerold G, Sodeik B , Becker S,von Hahn T. Viruses. 2019 Mar 19 ;11(3):275.

  • Autophagic Degradation of Lamins Facilitates the Nuclear Egress of Herpes Simplex Virus Type 1. Turan A , Grosche L, Krawczyk A , Mühl-Zürbes P , Drassner C, Düthorn A , Kummer M , Hasenberg M, Voortmann S , Jastrow H , Dörrie J , Schaft N , Kraner M , Döhner K , Sodeik B , Steinkasserer A , Heilingloh CS. J Cell Biol. 2019 Feb 4 ;218(2):508-523.

  • Importin α1 is required for nuclear import of herpes simplex virus proteins and capsid assembly in fibroblasts and neurons. Döhner K, Ramos-Nascimento A, Bialy D, Anderson F, Hickford-Martinez A, Rother F, Koithan T, Rudolph K, Buch A, Prank U, Binz A, Hügel S, Lebbink RJ, Hoeben RC, Hartmann E, Bader M, Bauerfeind R, Sodeik B. PLoS Pathog. 2018 Jan 5;14(1):e1006823.
  • Inner tegument proteins of Herpes Simplex Virus are sufficient for intracellular capsid motility in neurons but not for axonal targeting. Buch A, Müller O, Ivanova L, Döhner K, Bialy D, Bosse JB, Pohlmann A, Binz A, Hegemann M, Nagel CH, Koltzenburg M, Viejo-Borbolla A, Rosenhahn B, Bauerfeind R, Sodeik B. PLoS Pathog. 2017 Dec 28;13(12):e1006813.

  • Vertex-Specific Proteins pUL17 and pUL25 Mechanically Reinforce Herpes Simplex Virus Capsids. Snijder J, Radtke K, Anderson F, Scholtes L, Corradini E, Baines J, Heck AJR, Wuite GJL, Sodeik B, Roos WH. J Virol. 2017 May 26;91(12). pii: e00123-17.

  • Conserved tryptophan motifs in the  large tegument protein pUL36 are required for efficient secondary envelopment of Herpes Simplex Virus capsid. Ivanove L, Buch A, Döhner K, Pohlmann A, Binz A, Prank U, Sandbaumhüter M, Bauerfeind R, Sodeik B. J Virol 2016, 90:5368-5383.

  • Primary biliary acids inhibit hepatitis D virus (HDV) entry into human hepatoma cells expressing the sodium-taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP). Veloso Alves Pereira I, Buchmann B, Sandmann L, Sprinzl K, Schlaphoff V, Döhner K, Vondran F, Sarrazin C, Manns MP, Pinto Marques Souza de Oliveira C, Sodeik B, Ciesek S, von Hahn T. PLoS One. 2015 Feb 3;10(2):e0117152.

  • Targeting of viral capsids to nuclear pores in a cell-free reconstitution system. Anderson F, Savulescu AF, Rudolph K, Schipke J, Cohen I, Ibiricu I, Rotem A, Grünewald K, Sodeik B, Harel A. Traffic. 2014 Nov;15(11):1266-81.

  • Herpes simplex virus internalization into epithelial cells requires Na+/H+ exchangers and p21-activated kinases but neither clathrin- nor caveolin-mediated endocytosis. Devadas D, Koithan T, Diestel R, Prank U, Sodeik B, Döhner K. J Virol. 2014 Nov;88(22):13378-95.

  • A proteomic perspective of inbuilt viral protein regulation: pUL46 tegument protein is targeted for degradation by ICP0 during herpes simplex virus type 1 infection. Lin AE, Greco TM, Döhner K, Sodeik B, Cristea IM. Mol Cell Proteomics. 2013 Nov;12(11):3237-52.

  • Cytosolic herpes simplex virus capsids not only require binding inner tegument protein pUL36 but also pUL37 for active transport prior to secondary envelopment. Sandbaumhüter M, Döhner K, Schipke J, Binz A, Pohlmann A, Sodeik B, Bauerfeind R. Cell Microbiol. 2013 Feb;15(2):248-69.

  • Improper tagging of the non-essential small capsid protein VP26 impairs nuclear capsid egress of herpes simplex virus. Nagel CH, Döhner K, Binz A, Bauerfeind R, Sodeik B. PLoS One. 2012;7(8):e44177.

Kontakt

Prof. Dr. rer. nat. Beate Sodeik

Institut für Virologie
Medizinische Hochschule Hannover
Carl-Neuberg-Str. 1
30625 Hannover

  +49 511 532-2846
 Sodeik.Beate@mh-hannover.de

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