Projekte Virale Proteomik

Charakterisierung von CD81-Rezeptor-Interaktionen bei der Hepatozyten-Invasion von Hepatitis C-Virus und Plasmodium

Lokalisierung von SRFBP1 in humanen Hepatomzellen. SRFBP1 ist ein HCV Eintrittsfaktor, welcher mittels quantitativer Proteomik identifiziert wurde.

Hepatitis C-Virus (HCV) infiziert 71 Millionen Menschen weltweit und kann Fibrose, Zirrhose und Leberkrebs auslösen. Das Virus nutzt das humane Transmembranprotein CD81, um Leberzellen zu infizieren. Da CD81 keine Signaldomänen besitzt, stellten wir die Hypothese auf, dass es die Virusaufnahme in die Zelle durch Protein-Interaktionen mit Membran-proximalen Adaptern und Zytoskelettregulatoren einleitet. In unserer bisherigen Forschung gelang es uns, 33 CD81-Protein-Interaktionen in humanen Hepatomzellen zu identifizieren, wobei mindestens zehn der interagierenden Proteine von HCV benötigt werden, um Zielzellen erfolgreich zu infizieren.

Unser Ziel ist es, die molekularen Funktionen dieser neuen Wirtsfaktoren sowie den Einfluss von genetischen Varianten in diesen Faktoren auf die Anfälligkeit und den Krankheitsverlauf umfänglich zu untersuchen. Gleichzeitig analysieren wir die Spezifität der gefunden Faktoren. Dazu führen wir Infektionsstudien mit anderen umhüllten Viren und mit verschiedenen HCV-Genotypen in CRISPR/Cas9-Knockout-Zelllinien durch. Zuletzt untersuchen wir, ob die Wirtsfaktoren zu dem engen Gewerbe und Wirtstropismus von HCV beitragen. Diese Arbeit soll somit molekulare Mechanismen der Infektion eines wichtigen humanen Erregers und mögliche genetische Grundlagen für den unterschiedlichen Krankheitsverlauf und Therapieerfolg in verschiedenen Individuen aufklären.

Kooperationspartner: Felix Meissner (Max-Planck-Institut für Biochemie, Martinsried), Lars Kaderali (Universität Greifswald), Jan Phillip Machtens (EZ Jülich). 

Identifizierung von Eintrittsfaktoren umhüllter Viren

Quantitative Proteomanalysen zum Studium von Virus-Wirtszell Interaktionen beim Zelleintritt.

Massenspektrometrie-basierte Interaktionsproteomik hat in den vergangenen Jahren stark an Sensitivität gewonnen und kann mittlerweile quantitative Daten liefern. Mittels neuester Proteomiktechniken identifizieren und untersuchen wir Wirtsfaktoren, die von umhüllten Viren, wie Alphaviren, gebunden werden. Hierbei kombinieren wir speziell entwickelte Anreicherungsmethoden für Proteinkomplexe mit massenspektrometrischen Analysen. Dies erlaubt es uns einerseits, das Interaktom bekannter Eintrittsfaktoren wie dem SARS-CoV-2-Rezeptor ACE2 und dem promiskuitiven Anheftungsfaktor TIM-1 zu bestimmen („label free quantification“, LFQ). Andererseits nutzen wir stabile Isotopenmarkierung von Aminosäuren in Zellkultur (SILAC) sowie gerichtete Crosslinking Methoden und Proximitätslabeling (APEX2), um solche Proteine zu identifizieren, die mit viralen Hüllproteinen und Rezeptoren beim Zelleintritt oder bei der Replikation interagieren. Mittels CRISPR/Cas9 Editing, RNA Interferenz und Blockierungsstrategien untersuchen wir in Folgeexperimenten die Rolle der identifizierten Eintrittsfaktoren bei der Virusinfektion.

Unser Hauptaugenmerk liegt derzeit auf zoonotischen neu aufkommenden Insekten-übertragbaren Viren der Alphavirus- und Phlebovirus-Genera, darunter das Chikungunyavirus und das Rifttal-Fiebervirus. Identifizierte Eintrittsfaktoren und Replikationsfaktoren testen wir anschließend auf ihre Spezifität für verwandte Viren und auf die Expression in verschiedenen humanen Geweben. Zuletzt untersuchen wir, ob verwandte Proteine in Stechmücken und Vertebraten, d.h. im Überträgerwirt und im Reservoirwirt, ebenfalls als Eintrittsfaktoren für Chikungunyavirus fungieren. Diese Arbeiten werden beleuchten, wie zoonotische Viren Wirtszellen infizieren und können damit zur Entwicklung antiviraler Strategien beitragen. 

Kooperationspartner: Margaret Kielian (Albert Einstein College, New York, NY, USA), Christine Goffinet (Charité, Berlin), Pierre-Yves Lozach (Universitätsklinikum Heidelberg), Charles M. Rice (Rockefeller University, New York, NY, USA), Anna Oeverby & Niklas Arnberg (Umea University, Sweden).

HCV – Arenavirus-Koinfektion und Modulation von angeborenen Immunmechanismen

Angeborene Immunantwort bei HCV Infektion und virale Ausweichmechanismen vermittelt durch die NS3/4A Protease. (Modifiziert von Weigel, Bruening, Gerold, Journal of Immunology Research, 2016)

HCV ist ein kleines, umhülltes RNA Virus und der Erreger der Hepatitis C. Das Virus verursacht chronische Infektionen in 71 Millionen Menschen weltweit und kann schwere Leberschäden auslösen, darunter Zirrhose, Fibrose und Leberkrebs. In vielen Ländern wird eine HCV Infektion nicht diagnostiziert und es ist davon auszugehen, dass in Afrika eine hohe Prävalenz zu finden ist. In diesen Regionen kommt es auch zu Ausbrüchen von hämorrhagischen Fieberviren, wie dem Lassavirus und Bunyaviren wie dem Rifttal Fiebervirus. Da eine chronische Hepatitis C Infektion den Immunstatus der Leber verändert, untersuchen wir in Zellkulturmodellen, wie sich die chronische Hepatitis C auf eine sekundäre Infektion mit Arena- und Bunyaviren auswirkt. Insbesondere betrachten wir hierbei die Viruslast, zelluläre Immunerkennungsmechnismen und die Wirksamkeit von antiviralen Medikamenten. Diese Untersuchungen können helfen, Risiken einer zugrundeliegenden chronischen Hepatitis C während Arena- und Bunyavirus Ausbrüchen abzuschätzen. 

Kooperationspartner: Stefan Kunz (CHUV, Lausanne, Schweiz), Friedemann Weber (Universität Gießen), Magnus Evander (Umea University, Sweden), Clas Ahlm (Umea University, Sweden)

Wege hin zu einer personalisierten Prävention und Behandlung von schwerer Norovirus-Gastroenteritis (Paving the Way towards Personalized Prevention and Care of Severe Norovirus Gastroenteritis, PRESENt)

Integriertes Multimodales Framework für die Klassifikation der Schwere der Noroviruserkrankung.

Noroviren verursachen einen Großteil der Gastroenteritiden, wobei individuelle Parameter Anfälligkeit und Verlauf der Infektion beeinflussen. Akute Ausbrüche z.B. auf Kreuzfahrtschiffen oder in Altenpflegeeinrichtungen sowie chronische Infektionen in immungeschwächten Patienten stellen ein erhöhtes Gesundheitsrisiko dar. Dennoch gibt es bisher weder einen Impfstoff noch eine spezifische Therapie zur Vorbeugung oder Behandlung von Norovirusinfektionen. Auch ist nicht bekannt, was die individuellen Unterschiede in der Anfälligkeit und im Infektionsverlauf ausmacht. Um die Ursachen dieser Varianzen aufzuklären, bündeln die PRESENt Partner vom TWINCORE, der Medizinischen Hochschule Hannover, dem L3S Forschungsinstitut und dem Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung ihre Expertisen. Die Studienpartner sind mit dem neu in Hannover entstehenden Zentrum für Individualisierte Infektionsmedizin (Centre for Individualised Infection Medicine, CiiM) assoziiert. Mittels datenintensiver Technologien und ‚machine learning‘ Methoden werden die PRESENt Partner aufdecken, welche individuellen Parameter die Norovirus-Infektion beeinflussen. Hierzu werden in einer retrospektiven Studie individuelle Parameter wie Geschlecht, Alter und Vorerkrankungen mit den klinischen Daten in Relation gesetzt und Muster für den Infektionsverlauf berechnet. In einer prospektiven klinischen Studie werden die Forscher zudem das Mikrobiom, die Virusbeschaffenheit im Hinblick auf die Assoziation mit menschlichen Biomolekülen sowie klinische Parameter erheben und Muster berechnen. Gleichzeitig wird das Konsortium die Effektivität von Desinfektionsmitteln für die individuellen Patientenproben in modernen in vitro Modellen (sogenannte Organoide) testen. Basierend auf diesen Erkenntnissen sollen Strategien für eine personalisierte Prognose, Prävention und Behandlung schwerer Norovirusinfektionen entwickelt werden.

Projektbeteiligte: Prof. Dr. Wolfgang Nejdl (Leibniz Universität Hannover & Technische Universität Braunschweig, Forschungszentrum L3S Hannover), Prof. Dr. Dr. Michael Marschollek (Medizinische Hochschule Hannover, Peter L. Reichertz Institut für Medizinische Informatik der TU Braunschweig und der Medizinischen Hochschule Hannover), Prof. Dr. Till Strowig, Prof. Dr. Lothar Jänsch (Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung Braunschweig), PD Dr. Benjamin Heidrich (Medizinische Hochschule Hannover, Klinik für Gastroenterologie, Hepatologie und Endokrinologie Hannover), Prof. asoc. inv. Dr. Gisa Gerold (Medizinische Hochschule Hannover, TWINCORE - Zentrum für experimentelle und klinische Infektionsforschung Hannover) 

Koordinatorin: Prof. asoc. inv. Dr. Gisa Gerold 

Stellvertretender Koordinator: PD Dr. Benjamin Heidrich

Kooperierende Gruppen: Prof. Dr. Thomas F. Schulz (Medizinische Hochschule Hannover, Institut für Virologie), Prof. Dr. Lennart Svensson (Linköping University Schweden), Nihal Altan-Bonnet, Ph.D. (National Heart, Lung, and Blood Institute, NIH, Bethesda, USA) 

Funding: Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur und VolkswagenStiftung im Rahmen der Ausschreibung „Big Data in den Lebenswissenschaften der Zukunft“

Charakterisierung von CD81 Rezeptor-Interaktionen bei der Hepatozyten Invasion von Hepatitis C Virus und Plasmodium

Alberione MP, Moeller R, Kirui J, Ginkel C, Doepke M, Stroh LJ, Machtens JP, Pietschmann T, Gerold G (2020) Single-nucleotide variants in human CD81 influence hepatitis C virus infection of hepatoma cells. Med Microbiol Immunol 22:1-16. 

Gerold G, Moeller R, Pietschmann T (2020) Hepatitis C Virus Entry: Protein Interactions and Fusion Determinants Governing Productive Hepatocyte Invasion. Cold Spring Harb Perspect Med 10(2): a036830.

Bruening J, Lasswitz L, Banse P, Kahl S, Marinach C, Vondran FW, Kaderali L, Silvie O, Pietschmann T, Meissner F*, Gerold G* (2018) Hepatitis C virus enters liver cells using the CD81 receptor complex proteins calpain-5 and CBLB. PLoS Pathog 14(7): e1007111.. *these authors contributed equally 

Lasswitz L, Chandra N, Arnberg N*, Gerold G* (2018) Glycomics and Proteomics Approaches to Investigate Early Adenovirus-Host Cell Interactions. J Mol Biol 430(13): 1863-1882. Review*these authors contributed equally 

Banse P, Moeller R, Bruening J, Lasswitz L, Kahl S, Khan AG, Marcotrigiano J, Pietschmann T, Gerold G (2018) CD81 Receptor Regions outside the Large Extracellular Loop Determine Hepatitis C Virus Entry into Hepatoma Cells. Viruses 10(4).

Gerold G, Bruening J, Weigel B, Pietschmann T (2017) Protein interactions during the flavivirus and hepacivirus life cycle. Mol Cell Proteomics 16(4 suppl 1): S75-S91.

Gerold G, Meissner F, Bruening J, Welsch K, Perin PM, Baumert TF, Vondran FW, Kaderali L, Marcotrigiano J, Khan AG, Mann M, Rice CM, Pietschmann T (2015) Quantitative Proteomics Identifies Serum Response Factor Binding Protein 1 as a Host Factor for Hepatitis C Virus Entry. Cell Rep 12(5): 864-878.

Funding:  DFG (GE  2145/3-1), DFG (GE  2145/3-2), DFG (SFB900-C7), DZIF (TI 07.003), Deutsche Leberstiftung (S163/10073/2011), HFSPO (LT000048/2009-L), Leopoldina (LPDS 2009-9), Excellence Cluster RESIST.

Identifizierung von Eintrittsfaktoren Moskito-übertragbarer und gastrointestinaler Viren

Uckeley ZM*, Moeller R*, Kuhn LI, Nilsson E, Robens C, Lasswitz L, Lindqvist R, Lenman A, Passos V, Voss Y, Sommerauer C, Kampmann M, Goffinet C, Meissner F, Overby AK, Lozach PY#, Gerold G# (2019) Quantitative proteomics of Uukuniemi virus - host cell interactions reveals GBF1 as proviral host factor for phleboviruses. Mol Cell Proteomics 18(12): 2401-2417.*,#equally contributed

Herrador A, Fedeli C, Radulovic E, Campbell KP, Moreno H, Gerold G, Kunz S (2019) Dynamic Dystroglycan Complexes Mediate Cell Entry of Lassa Virus. MBio 10(2):e02869-18

Zapatero-Belinchon FJ, Dietzel E, Dolnik O, Dohner K, Costa R, Hertel B, Veselkova B, Kirui J, Klintworth A, Manns MP, Pohlmann S, Pietschmann T, Krey T, Ciesek S, Gerold G, Sodeik B, Becker S, von Hahn T (2019) Characterization of the Filovirus-Resistant Cell Line SH-SY5Y Reveals Redundant Role of Cell Surface Entry Factors. Viruses 11(3):275. 

Fedeli C, Torriani G, Galan-Navarro C, Moraz ML, Moreno H, Gerold G, Kunz S (2018) Axl Can Serve as Entry Factor for Lassa Virus Depending on the Functional Glycosylation of Dystroglycan. J Virol 92(5).

von Schaewen M, Dorner M, Hueging K, Foquet L, Gerges S, Hrebikova G, Heller B, Bitzegeio J, Doerrbecker J, Horwitz JA, Gerold G, Suerbaum S, Rice CM, Meuleman P, Pietschmann T, Ploss A (2016) Expanding the Host Range of Hepatitis C Virus through Viral Adaptation. MBio 7(6)

Scull MA, Shi C, de Jong YP, Gerold G, Ries M, von Schaewen M, Donovan BM, Labitt RN, Horwitz JA, Gaska JM, Hrebikova G, Xiao JW, Flatley B, Fung C, Chiriboga L, Walker CM, Evans DT, Rice CM, Ploss A. (2015) Hepatitis C virus infects rhesus macaque hepatocytes and simianized mice. Hepatology. 62(1):57-67.

Gerold G, Bruening J, Pietschmann T. (2015) Decoding protein networks during virus entry by quantitative proteomics. Virus Research. 218:25-39. 

Kapoor A, Simmonds P, Gerold G, Qaisar N, Jain K, Henriquez JA, Firth C, Hirschberg DL, Rice CM, Shields S, Lipkin WI. (2011) Characterization of a canine homolog of hepatitis C virus. PNAS. 108(28):11608-13. 

Funding:  DFG (GE  2145/3-2), German Liver Foundation (S163/10135/2017), DAAD, ZIB, Friends of the MHH, Knut and Alice Wallenberg Foundation.

HCV - arenavirus co-infection and modulation of innate sensing mechanismus

Moreno H, Möller R, Fedeli C, Gerold G, Kunz S (JVI00160-19) Comparison of the innate immune response to pathogenic and non-pathogenic Clade B New World arenaviruses J Virol. 2019 Jul 3. pii: JVI.00148-19. doi: 10.1128/JVI.00148-19. [Epub ahead of print]

Bruening J, Weigel B, Gerold G. (2017) The role of type III interferons in hepatitis C virus infection and therapy. J Immunol Res. 2017:7232361.