Projekte Experimentelle Virologie

Im Bereich der Hepatitis C Virus (HCV) Forschung konzentrieren wir uns auf drei wichtige Themenfelder. Wir untersuchen die molekularen Grundlagen der HCV Replikation, um neue Angriffspunkte für die HCV Therapie zu identifizieren und molekulare Mechanismen zu verstehen, die zur Viruspathogenese beitragen. Darüber hinaus suchen wir gemeinsam mit unseren Partnern am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) und am Helmholtz-Institut für Pharmazeutischen Forschung Saarland (HIPS) nach neuen Wirkstoffen, welche die Vermehrung des HCV hemmen. Gleichzeitig prüfen wir, auf welche Weise diese antiviralen Substanzen in den viralen Replikationszyklus eingreifen. Schließlich bearbeiten wir im dritten Schwerpunkt in enger Zusammenarbeit mit unseren Kollegen an der MHH klinisch virologische Aspekte der HCV Infektion. Parallel bauen wir einen neuen Schwerpunkt auf dem Gebiet respiratorischer RNA viraler Infektionen auf. Hier konzentrieren wir uns auf das Respiratorische Synzytial Virus (RSV), das insbesondere bei Kleinkindern und immungeschwächten Menschen schwere Atemwegserkrankungen auslöst. In diesem Zusammenhang untersuchen wir in Zusammenarbeit mit Ärzten der MHH, welche Faktoren für den schweren Verlauf einer RSV Erkrankung verantwortlich sind.

Molekulare Grundlagen der HCV Replikation

Wir untersuchen den Zelleintritt des HCV sowie die Assemblierung und Freisetzung neuer Viren.  Darüber hinaus studieren wir die molekularen Grundlagen des engen Wirts- und Gewebetropismus des HCV. Durch unsere Entwicklung des JFH1-basierten HCV Infektionssystems sind solche Untersuchungen am Zellmodell seit 2005 möglich.

Zelleintritt

Figur 1: Mikroskopische Aufnahme von Claudin-1 an der Zelloberfläche humaner Leberzellen (Quelle: Sibylle Haid).

Wir erforschen die Interaktionen der viralen Hüllproteine mit den HCV-Eintrittsfaktoren, insbesondere dem Scavanger-Rezeptor Klasse B Typ 1 (SCARB-1), CD81 und Claudin-1 (CLDN1). Unser Ziel ist es, die viralen Determinanten zu identifizieren, welche die Interaktion mit diesen Eintrittsfaktoren vermitteln. Diese viralen Faktoren könnten wichtige Zielstrukturen für Zelleintrittsinhibitoren und Antikörper sein, um den HCV Zelleintritt zu stören. Darüber wollen wir verstehen, wie die einzelnen Eintrittsfaktoren die Aufnahme des HCV vermitteln, um die zellbiologischen Prozesse, die zur Aufnahme des HCV in Leberzellen führen, auf molekularer Ebene zu verstehen.


Relevante Publikationen

Virus Assemblierung und Freisetzung

Figur 2: Bindung von HCV Core Protein an zelluläre lipid droplets und Einfluss eines HCV Assembly-Inhibitors auf diesen Prozess. ADRP, ein zelluläse Protein, das lipid droplets bindet, und HCV Core sind grün gefärbt. Die Zellkerne sind blau dargestellt. Bei den kleinen vergrößerten Bildausschnitten am oberen Bildrand ist HCV Core in rot und lipid droplet in grün gefärbt (Quelle: Juliane Gentzsch).

Im Bereich des Virenaufbaus analysieren wir die Zusammenarbeit viraler Proteine mit Wirtsfaktoren, die zur Freisetzung infektiöser HCV Partikel führen. Hierbei wollen wir insbesondere verstehen, wie das virale p7 Protein, ein Ionenkanal, zur Virusproduktion beiträgt. Eine Besonderheit des HCV besteht darin dass sich das Virus eng mit Lipoproteinen verbindet, die spezifisch in der Leber gebildet werden. Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gehen wir im Rahmen eines Teilprojekts des SFB 900 der Frage nach, wie das HCV diese Verbindung mit Lipoproteinen eingeht. Hierbei prüfen wir den Beitrag von Lipoproteinen für die Assemblierung von viralen Kapsiden, deren Umhüllung mit zellulären Membranen sowie die Ausschleusung aus der Zelle. Darüber hinausanalysieren wir die Rolle der Lipoproteine für den Zelleintrittsprozess des HCV.

Relevante Publikationen

Wirts- und Gewebetropismus

HCV hat einen engen Wirts- und Gewebetropismus. Neben dem Menschen ist nur der Schimpanse für eine HCV Infektion empfänglich. Im Menschen wiederum vermehrt sich das Virus vor allem in der Leber. In diesem Projekt stellen wir uns die Frage welche Faktoren für diesen engen Tropismus des Virus verantwortlich sind. Wir wollen auf diese Weise klären, ob es relevante Virusreservoire außerhalb der Leber gibt und ob solche Reservoire für den Verlauf und das Therapieansprechen eine Rolle spielen. Darüber hinaus untersuchen wir die Faktoren welche für eine effiziente Virusvermehrung in Leberzellen von Mäusen benötigt werden. Gefördert durch einen "Starting Grant" des ERC wollen wir so verstehen unter welchen Voraussetzungen sich HCV in Mäusen vermehrt. Dies könnte langfristig zur Entwicklung von Kleintiermodellen beitragen, welche für die Entwicklung von HCV Impfstoffen genutzt werden können.

Relevante Publikationen

Antivirale Substanzen

Figur 3: HZI Roboterstraße zur Identifizierung von Wirkstoffen mit antiviraler Aktivität (Quelle: Bettina Hinkelmann und Florenz Sasse, HZI).

Um kleine Moleküle zu identifizieren, die an unterschiedlichen Stellen des HCV-Replikationszyklus eingreifen, haben wir ein duales Reportergen-Assay des HCV-Lebenszyklus entwickelt und gemeinsam mit Spezialisten am HZI auf das 384-Well Hochdurchsatz-Format adaptiert. Mit diesem System wurden etwa 2500 Substanzen aus der HZI-Substanzbibliothek sowie von externen Kooperationspartnern hinsichtlich ihrer antiviralen Wirksamkeit untersucht. Es konnten verschiedene interessante Substanzen identifiziert werden, die an unterschiedlichen Punkten des Lebenszyklus eingreifen. Einige dieser Verbindungen nutzen wir, um die zellbiologischen Schritte der Virusassemblierung und des Zelleintritts des HCV zu analysieren. Eine kleine Anzahl von Substanzen wurde für weitere präklinische Tests ausgewählt.

Relevante Publikationen

Klinische Virologie von HCV

HCV und Lebertransplantation

Figur 4: Spenderleber bei der Transplantation an der MHH

Chronische Infektionen mit HCV ist eine der häufigsten Indikationen für Lebertransplantationen weltweit. Allerdings ist nach der Transplantation immer zur Reinfektion der Spenderleber. Derzeit existiert kein sicherer und effektiver Weg, die Reinfektion der transplantierten Lebern zu verhindern. Hinzu kommt, dass Patienten mit einer reinfizierten Leber sehr schnell eine neue Zirrhose ausbilden oder akute Verläufe nach der Transplantation zeigen. In diesem Zusammenhang haben wir in Zusammenarbeit mit der MHH geprüft welche Rolle die immunsuppressive Therapie, die mit der Lebertrans-plantation einhergeht, für den Verlauf der HCV Reinfektion hat. Unsere Studien mit üblichen in der Klinik verwendeten Immunsuppressiva haben gezeigt, dass Glycocorticoide die HCV-Infektion direkt an den Leberzellen stimulieren - vermittelt durch eine Hochregulation von SCARB-I und OCLN, zwei wichtigen HCV-Eintrittsfaktoren.

Relevante Publikationen

HCV bei Patienten mit Übergewicht

In einer neuen Studie untersuchen wir gemeinsam mit der MHH Faktoren die den Verlauf der HCV Infektion bei Menschen mit Übergewicht beeinflussen. Übergewicht bei HCV Patienten ist mit einer erhöhten Viruslast und einem schlechteren Therapieansprechen assoziiert. Die Molekularen Grundlagen dieses Zusammenhangs sind bisher unklar. Gefördert durch ein Stipendium des Deutschen Zentrums für Infektionsforschung (DZI-F) prüfen wir, wie sich hormonelle Änderungen, die im Zusammenhang mit Übergewicht auftreten, auf die HCV Vermehrung und die Interferontherapie auswirken.

Respiratorisches Synzytial Virus

Figur 5: Zellrasen RSV infizierter Zellen. Die Infektion hat zur Fusion benachbarter virusinfizierter Zellen geführt. Es bilden sich sogenannte Synzytien, ein typisches Zeichen einer RSV Infektion in Zellkulturen (Quelle: Sibylle Haid).

In unserem neuen Forschungsthema befassen wir uns mit der Frage, warum RSV Infektionen klinisch sehr variabel verlaufen. In Zusammenarbeit mit der MHH suchen wir genetische Faktoren des Wirts, die den Verlauf einer RSV Infektion beeinflussen. Parallel prüfen wir virale Eigenschaften, welche den Infektionsprozess beeinflussen.

Publikationen Zelleintritt

Bankwitz, D.*, E. Steinmann*, J. Bitzegeio, S. Ciesek, M. Friesland, E. Herrmann, M. B. Zeisel, T. F. Baumert, Z. Y. Keck, S. K. Foung, E. I. Pecheur, and T. Pietschmann.2010. Hepatitis C virus hypervariable region 1 modulates receptor interactions, conceals the CD81 binding site, and protects conserved neutralizing epitopes. J. Virol.84:5751-5763.

Haid, S., M. P. Windisch, R. Bartenschlager, and T. Pietschmann.2010. Mouse-specific residues of claudin-1 limit hepatitis C virus genotype 2a infection in a human hepatocyte cell line. J.Virol.84:964-975.

Publikationen Virus Assemblierung und Freisetzung

Vieyres G, Brohm C, Friesland M, Gentzsch J, Wölk B, Roingeard P, Steinmann E, Pietschmann T.Subcellular localization and function of an epitope-tagged p7 in hepatitis C virus-producing cells. J Virol.2012 Nov 21. [Epub ahead of print]PubMed PMID: 23175364.

Steinmann E, Penin F, Kallis S, Patel AH, Bartenschlager R, Pietschmann T.Hepatitis C virus p7 protein is crucial for assembly and release of infectious virions. PLoS Pathog. 2007 Jul;3(7):e103. PubMed PMID: 17658949

Publikationen Wirts- und Gewebetropismus des HCV

Frentzen, A. K. Hueging, J. Bitzegeio, M. Friesland, S. Haid, J. Gentzsch, M.Hoffmann, D. Lindemann, G. Zimmer, F.Zielecki, F. Weber, E. Steinmann*, and T. Pietschmann*.2011. Completion of Hepatitis C Virus Replication Cycle in Heterokaryons Excludes Dominant Restrictions in Human Non-liver and Mouse Liver Cell Lines. PLoS Pathog. 7(4): e1002029.

Bitzegeio, J., D. Bankwitz, K. Hueging, S. Haid, C. Brohm, M. B. Zeisel, E. Herrmann, M. Iken, M. Ott, T. F. Baumert, and T. Pietschmann.2010. Adaptation of hepatitis C virus to mouse CD81 permits infection of mouse cells in the absence of human entry factors. PLoS.Pathog.6:e1000978.

Publikationen Antivirale Substanzen

Haid S., A.Novodomská, J. Gentzsch, C. Grethe, S. Geuenich, D. Bankwitz, P. Chhatwal, B. Jannack, T.Hennebelle, F.Bailleul, O.l T. Keppler, M.Pönisch, R. Bartenschlager, C. Hernandez, M.Lemasson, A. Rosenberg, F. Wong-Staal, E. Davioud-Charvet, and T. Pietschmann. Natural plant-derived flavonoid inhibits hepatitis C virus cell entry of all major genotypes. Gastroenterology. 2012 Jul;143(1):213-22.

Gentzsch, J., B. Hinkelmann, L. Kaderali, H. Irschik, R. Jansen, F. Sasse, R. Frank, and T. Pietschmann. 2011. Hepatitis C virus complete life cycle screen for identification of small molecules with pro- or antiviral activity. Antiviral Res.89:136-148.

Publikationen HCV und Lebertransplantation

Ciesek, S., E. Steinmann, M. Iken, M. Ott, F. A. Helfritz, I. Wappler, M. P. Manns, H. Wedemeyer, and T. Pietschmann. 2010. Glucocorticosteroids increase cell entry by hepatitis C virus. Gastroenterology138:1875-1884.

Ciesek, S., E. Steinmann, H. Wedemeyer, M. P. Manns, J. Neyts, N. Tautz, V. Madan, R. Bartenschlager, T. von Hahn, and T. Pietschmann. 2009. Cyclosporine A inhibits hepatitis C virus nonstructural protein 2 through cyclophilin A. Hepatology50:1638-1645.