Die Google-Suche nach „Herpes“ ergibt 44 Millionen Resultate – kein Wunder, die Viren aus der Herpes-Familie sind weltweit verbreitet, und die meisten Menschen damit infiziert. Die wichtigsten Vertreter sind Herpes Simplex Virus 1 (verursacht Fieberbläschen an den Lippen, d.h auch „Lippenherpes“ genannt) und Herpes Simplex Virus 2 (Genitalherpes). Zu den Herpes-Viren gehört auch der Epstein-Barr-Virus, der die Mononukleose (Pfeiffer-Drüsenfieber) verursacht. Allen Herpesviren ist gemeinsam, dass sie eine sogenannte „latente“ Infektion verursachen, d.h. der Virus ist in einem Ruhezustand im Körper, und wird unter gewissen Bedingungen aktiviert zu einer „lytischen“ Infektion. Das ist bspw. dann der Fall, wenn bei Stress oder Erkältung wieder Fieberbläschen entstehen: der Virus hat seinen Ruhezustand verlassen, und die Zellen in der Lippe „lytisch“ infiziert. Bei gesunden Menschen ist das Immunsystem aber meistens in der Lage, lytische Infektionen zu verhindern.
Die Besonderheit von Viren ist, dass sie (im Gegensatz zu Bakterien) in die Zellen unseres Körpers eindringen. Obwohl Viren sehr einfach aufgebaut sind und nur wenige Gene haben, gelingt ihnen etwas so faszinierendes wie gefährliches: Viren können die hochkomplexen menschliche Zelle so beeinflussen, dass sie nur noch Viren produziert, und schlussendlich eingeht. Dazu manipuliert der Virus auch die Expression menschlicher Gene, das Forschungsgebiet unserer Arbeitsgruppe am Max-Delbrück-Centrum Berlin. Siehe dazu auch zwei ältere Blogbeiträge zu posttranskriptioneller Genregulation oder ringförmigen RNA-Molekülen.
In unserer neusten Publikation, „Widespread activation of antisense transcription of the host genome during herpes simplex virus 1 infection“, haben wir nun ein bisher unentdecktes Phänomen beschrieben, wie Herpes Simplex diese Genexpression manipuliert. Nach der Infektion von menschlichen Zellen in Zellkultur mit Herpes Simplex 1 haben wir gesehen, dass bei ungefähr 1000 von den 25000 menschlichen Genen sogenannte Antisense-Expression sichtbar wird.
Im Bild ist sehr schematisch und vereinfacht gezeigt, was das bedeutet. Unsere Gene sind auf den Chromosomen wie auf einer sehr langen Perlenkette aufgereiht. Im Bild ist mit einem orangen Pfeil ist der Start eines Gens bezeichnet. Dort wie die Information vom Chromosom als RNA-Molekül (=Transkript) abgelesen (=transkribiert), bis zum Ende des Gens. Dabei werden die Teile, die nicht sogenannte „Exons“ sind, herausgeschnitten. Von der RNA wird dann die Information in ein Protein übersetzt, das eine bestimmte Funktion in der Zelle ausübt.
Das Antisense-Transkript, das nach der Herpes-Infektion entsteht, wird nun in entgegengesetzte Richtung abgelesen. Dabei kann es mit dem Gen überlappen (wie das untere, als „intern“ bezeichnet) oder auch nicht (sogenannt „divergent“). Nach der Herpes-Infektion werden also bei ungefähr 5% der menschlichen Gene neue Transkripte gebildet, und zwar in die dem Gen entgegengesetzte (englisch „antisense“) Richtung.
Die zwei grundsätzlichen Fragen sind:
1. Welches sind die Ursachen dieser Antisense-Transkripte?
2. Und welche Folgen hat die Transkription dieser Antisense-Transkripte?
Bei Frage eins sind wir zuerst der Möglichkeit nachgegangen, ob alle Virusinfektionen, oder allgemein Stressituationen für die Zelle, zu solchen Antisense-Transkripten führen. Während nach Infektion mit nahe verwandten Viren wie Herpes Simplex Virus 2 oder das Varizella-Zoster-Virus (Windpocken) zumindest ein Großteil der Antisense-Transkripte sichtbar ist, ist dies bei anderen Viren und einige unterschiedlichen Stresssituationen nicht der Fall. Für diese Analyse konnten wir auf publizierte Rohdaten anderer WissenschaftlerInnen zurückgreifen, die damit andere Dinge untersucht haben. Dies zeigt, nebenbei gesagt, wie wichtig es ist, dass in der Wissenschaft Daten zugänglich gemacht werden. Im nächsten Schritt versuchten wir einzugrenzen, welche Virusproteine die Antisense-Transkription verursachen. Dazu verwendeten wir mutierte Viren, die jeweils eines ihrer eigenen Proteine nicht herstellen können, sowie ein antivirales Medikament. Beides führt dazu, dass die Infektion langsamer verläuft, oder in einem frühen Stadium abbricht. Dabei bestätigte sich die Annahme, dass die ungefähr 1000 Antisense-Transkripte nicht alle dieselbe Ursache haben. Während für einige ein spezifisches virales Protein (ICP4, ein sogenannter Transkriptionsfaktor) verantwortlich ist, gelang bei andere Antisense-Transkripte nur eine ungefähre Eingrenzung der möglichen viralen Faktoren. Wahrscheinlich sind auch komplexere Mechanismen, bei denen verschiedene virale und menschliche Proteine zusammenwirken.
Die zweite Frage konnten wir ebenfalls nicht endgültig beantworten (aber dann wäre ja langweilig und es gäbe nix mehr zu tun). Ein angesichts früher Forschung naheliegendes Szenario ist, dass der Virus damit generell die Transkription vom menschlichen Genom „verwirren“ will. Denn einerseits sollen während der Infektion alle Ressourcen zu Transkription des viralen Genoms verwendet werden. Andererseits ist es für den Virus von Nachteil, wenn antivirale menschliche Gene transkribiert werden. Experimentell ist diese Hypothese schwierig zu belegen. Andererseits kann es sein, dass zumindest ein Teil der Antisense-Transkripte eine spezifische Funktion hat. Dazu haben wir das Antisense-Transkript zum BBC3-Gen näher untersucht. Das BBC3-Gen produziert ein Protein, dass sofort zu Apoptose führt (Selbstmord der Zelle). Es ist für die Virusinfektion von Vorteil, die Apoptose zu verhindern, und deswegen auch die Transkription des BBC3-Gens. Denn wenn die Zelle in Apoptose geht, kann sie keinen Virus mehr produzieren. Verschiedene unserer Experimente haben Hinweise gegeben, dass das BBC3-Antisense-Transkript die Produktion des BBC3-Proteins tatsächlich reduziert, und damit die Wahrscheinlichkeit für Apoptose reduziert.
Was ist nun die Relevanz dieser Arbeit? Für die Virusforschung ist interessant, welche tiefgehenden und eher unerwarteten Effekte ein Virus auf die Transkription haben kann. Dies ist ein weiterer Aspekt, wie Viren unsere Zellen in allen möglichen Bereichen manipulieren können. Für die Erforschung der Gen-Transkription sind die Liste der 1000 Antisense-Transkripte einerseits eine Vorlage, mit denen andere Datensätzen durchsucht werden können. Anderseits zeigen wir, wie Herpesviren als Methode verwendet werden können, um die Transkription in menschlichen Zellen zu verstehen, die in ihrer Komplexität wohl erst ansatzweise verstanden wird.
Etwas Text zu diesem und jenem 