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Institut für molekulare Virologie und Zellbiologie (IMVZ)

Labor für Molekularbiologie der Filoviren

Bearbeitete Erreger

  • Ebolaviren
  • Marburgviren
  • Cuevaviren

Forschungsschwerpunkte

Filoviren (Ebola-, Marburg- und Cuevaviren) gehören zu den in Deutschland meldepflichtigen Tierseuchenerregern. Als natürliche Wirte für diese Viren gelten Flughunde; aber auch Nutztiere (insbesondere Schweine) können Filoviren in sich tragen. Als Zoonose-Erreger können Filoviren von Wirtstieren auf den Menschen übertragen werden, und dann schwere hämorrhagische Fieber mit sehr hohen Sterblichkeitsraten hervorrufen. Der Ebolavirus-Ausbruch in West-Afrika in 2014/2015 hat deutlich gemacht, dass diese Viren eine ernste Gefahr für die öffentliche Gesundheit darstellen. Obwohl in den letzten Jahren beeindruckende Fortschritte in der Entwicklung von Impfstoffen und möglichen Medikamenten gegen diese Viren erzielt wurden, sind bis heute weder Impfstoffe zugelassen noch Medikamente verfügbar.

Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Molekularbiologie der Filoviren, mit einem besonderen Fokus auf Virus-Wirt-Interaktionen und der Identifikation von Pathogenitätsfaktoren. Diese Forschungsarbeiten zielen darauf ab, Gemeinsamkeiten mit anderen RNA-Viren zu finden, die dann als Angriffspunkte für breit wirkende Medikamente gegen eine Reihe von bedeutenden RNA-Viren dienen können, und Vorhersagen über das Pathogenitätspotential neuer Filoviren treffen zu können.

Methodisch liegt ein besonderer Fokus in der Entwicklung und Anwendung reverser Genetik-Systeme. Diese umfassen zum einen sogenannte Volle-Länge-Klon-Systeme zur  Herstellung rekombinanter Filoviren, und zum anderen sogenannte Lifecycle-Modelling-Systeme, welche es ermöglichen, auch ohne Zugang zu Hochsicherheitslaboren an Filoviren zu forschen.

Literatur

  • Hoenen T, Groseth A, Feldmann H. 2019. Therapeutic strategies to target the Ebola virus life cycle. Nature Reviews in Microbiology 17(10):593-606.            
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31341272
  • Groseth A, Hoenen T. 2017. Forty years of ebolavirus molecular biology: Understanding a novel disease agent through the development and application of new technologies. Methods in Molecular Biology 1628:15-38.         
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28573608
  • Hoenen T, Brandt J, Caì Y, Kuhn JH, Finch C. 2017. Reverse genetics of filoviruses. Current Topics in Microbiology and Immunology 411:421-445. 
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28918537

Kurzbeschreibung laufender Projekte

Kurzbeschreibung kürzlich abgeschlossener Projekte

Entwicklung, Optimierung und Anwendung von Lifecycle-Modelling-Systemen

Filoviren werden derzeit in die höchste Sicherheitsstufe 4 eingestuft, was experimentelle Arbeiten weitestgehend auf Hochsicherheitslaboratorien beschränkt, von denen weltweit nur eine kleine Anzahl zur Verfügung steht. Um den Replikationszyklus von Filoviren auch außerhalb von Hochsicherheitslaboren untersuchen zu können, haben wir sogenannte Life-Cycle-Modelling-Systeme entwickelt. Diese auf Minigenomen (Miniatur-Versionen des filoviralen Genoms, aus dem essentielle Virus-Gene entfernt wurden und mit denen daher unter S1-Bedingungen gearbeitet werden kann) basierende Systeme modellieren entweder einzelne Aspekte des viralen Replikationszyklus, oder aber den Replikationszyklus in seiner Gesamtheit. Das fortschrittlichste dieser Systeme, das sogenannte „tetracistronic transcription and replication-competent virus-like particle (trVLP) system“ (Abbildung 1) erlaubt die sichere Modellierung des gesamten Replikationszyklus über mehrere infektiöse Zyklen ausschließlich unter Verwendung filoviraler Komponenten. Eine Reihe von Varianten dieses Systems wird über das European Virus Archive wissenschaftlichen Einrichtungen zur Verfügung gestellt, und kann zum Beispiel zur Identifizierung und Charakterisierung neuer antiviraler Medikamente, aber auch in der Grundlagenforschung zu Filoviren eingesetzt werden. Unser Labor arbeitet kontinuierlich an der Optimierung und Weiterentwicklung dieser Systeme, und wendet sie selbst an, um aktuelle Fragen der Filovirus-Biologie zu untersuchen.

Links und weitere Informationen zu tetracistronischen trVLP-Systemen

Literatur

  • Wendt L, Bostedt L, Hoenen T, Groseth A. 2019. High-throughput screening for negative-stranded hemorrhagic fever viruses using reverse genetics. Antiviral Research. 170:104569.
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31356830
  • Kämper L, Zierke L, Schmidt ML, Müller A, Wendt L, Brandt J, Hartmann E, Braun S, Holzerland J, Groseth A, Hoenen T. 2019. Assessment of the function and intergenus-compatibility of Ebola and Lloviu virus proteins. Journal of General Virology 100(5):760-772.       
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31017565
  • Schmidt ML, Tews BA, Groseth A, Hoenen T. 2018. Generation and optimization of a GFP-expressing trVLP system for Ebola virus. Journal of Infectious Diseases (epub ahead of print).
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30053054
  • Wendt L, Kämper L, Schmidt ML, Mettenleiter TC, Hoenen T. 2018. Analysis of a putative late domain using an Ebola virus transcription and replication-competent virus-like particle system. Journal of Infectious Diseases (epub ahead of print).  
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29931371
  • Schmidt ML, Hoenen T. 2017. Characterization of the catalytic center of the Ebola virus L polymerase. PLoS Neglected Tropical Diseases 11(10):e0005996.
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28991917
  • weitere Literatur

Untersuchung der Rolle der Wirtsproteine NXF1, DDX39B und CAD im filoviralen Replikationszyklus

Als intrazelluläre Parasiten sind Viren für eine erfolgreiche Replikation auf Wirtszellproteine angewiesen. Die Interaktionen viraler Faktoren mit Wirtszellproteinen stellen dabei interessante Angriffsziele für Therapeutika dar, da es für Viren schwerer ist, gegen solche Therapeutika Resistenzen zu entwickeln, als gegen solche, die sich direkt und ausschließlich gegen virale Faktoren richten. Außerdem werden Interaktionen bzw. bestimmte Wirtsfaktoren häufig von verschiedenen Viren genutzt, so dass hiergegen gerichtete Therapeutika oft ein breiteres Wirkungsspektrum haben als klassische, direkt wirkende antivirale Therapien. In einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt befassen wir uns mit drei Wirtsfaktoren (NXF1, DDX39B und CAD), die eine Rolle bei der viralen Genom-Replikation und Transkription spielen (Abbildung 2). Dabei werden zum einen auf biochemischer Ebene Interaktionen zwischen diesen zellulären Proteinen und viralen Faktoren genauer charakterisiert, und zum anderen auf funktioneller Ebene die genaue Rolle der Wirtsproteine im viralen Replikationszyklus untersucht. Hierbei kommen sowohl Life-Cycle-Modelling-Systeme als auch rekombinante Filoviren zum Einsatz.

Literatur

  • Martin S, Chiramel AI, Schmidt ML, Chen Y, Whitt N, Watt A, Dunham EC, Shifflett K, Traeger S, Leske A, Buehler E, Martellaro C, Brandt J, Wendt L, Müller A, Peitsch S, Best SM, Stech J, Finke S, Römer-Oberdörfer A, Groseth A, Feldmann H, Hoenen T. 2018. A genome-wide siRNA screen identifies a druggable host pathway essential for the Ebola virus life cycle. Genome Medicine 10(1):58.    
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30081931
  • Wendt L, Brandt J, Bodmer B, Reiche S, Schmidt ML, Traeger S, Hoenen T. 2020. The Ebola virus nucleoprotein recruits the nuclear RNA export factor NXF1 into inclusion bodies to facilitate viral protein expression. Cells 9(1).pii:E187.    
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31940815

Vergleich hochpathogener und apathogener FIloviren im Rahmen des VISION-Forschungsverbundes

Obwohl Filoviren am besten für Ihre hochpathogenen Vertreter wie das Ebola-Virus (Sterblichkeitsraten bis 60%) oder das Marburg-Virus (Sterblichketisraten bis 80%) bekannt sind, gibt es auch für den Menschen höchstwahrscheinlich apathogene Filoviren wie das Reston-Virus. Die Faktoren, die für diese Unterschiede im Pathogenitätspotential verantwortlich sind, sind derzeit unbekannt. Daher ist es auch für neu auftretende Filoviren wie z.B. das in Spanien und Ungarn gefundene Filovirus Lloviu-Virus nicht möglich, eine faktenbasierte Risikoabschätzung zu erstellen. Im Rahmen des internen Forschungsverbundes VISION (illuminating VIrus-hoSt interactIONs of high-consequence zoonotic viruses in vitro and in vivo) werden daher Ebola-Viren und Reston-Viren bezüglich bestimmter Eigenschaften (Effizienz und Geschwindigkeit des Virus-Eintritts in die Wirtszelle, Effizienz und Geschwindigkeit der Genomvermehrung in Wirtszellen, Effizienz und Geschwindigkeit der Freisetzung neuer Viruspartikel) miteinander verglichen, um einen möglichen Beitrag dieser Eigenschaften auf das Pathogenitätspotential dieser Viren besser zu verstehen. Gleichzeitig werden neue Strategie erforscht, diese Viren mit fluoreszierenden Reporterproteinen zu versehen, um ihre Ausbreitung im Wirtsorganismus sowie die Pathogenese im Tiermodell besser erforschen zu können.

Untersuchung der Rolle von Nutztieren für die Biologie von Filoviren in Westafrika

Die Ebola-Virus-Epidemie 2013-2016 in West-Afrika hat beeindruckend vor Augen geführt, dass Filoviren nicht nur ein Problem für afrikanische Länder sind, sondern dass derartige Krankheitsausbrüche weltweite Konsequenzen haben können. Gleichzeitig hat sie deutlich gemacht, dass es immer noch Lücken in unserem Wissen über die Biologie und Epidemiologie von Filoviren gibt. Eine dieser Lücken ist die mögliche Rolle von Nutztieren als relevante Wirte. Während bekannt ist, dass Schweine mit asiatischen Filoviren infiziert werden können, und auch in der Lage zu sein scheinen, diese auf den Menschen zu übertragen, ist die Bedeutung von Schweinen oder anderen Nutztieren für afrikanische Filoviren bislang nur wenig verstanden. In einem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft auf Grund eines Beschlusses des deutschen Bundestages über die Bundesanstalt für Ernährung und Landwirtschaft geförderten Projektes sollte daher die Rolle von Nutztieren für die Biologie von Filoviren in Westafrika nun näher untersucht werden. Der Schwerpunkt des Labors für Molekularbiologie der Filoviren lag dabei auf der Untersuchung der Fähigkeit des zellulären Rezeptors NPC1 aus afrikanischen Tierspezies, einen Eintritt von Filoviren in die Wirtszelle zu erlauben, und auf der Entwicklung neuartiger Nachweisverfahren für bislang unbekannte Filoviren. Weiterhin beteiligte sich das Labor für Molekularbiologie der Filoviren am Training der afrikanischen Partner in molekularen Nachweistechniken für Filoviren sowie im Sequenzieren mittels Nanopore-Technologie.

Literatur

  • Mueller A, Fischer K, Suluku R, Hoenen T. 2019. Sequencing of mRNA from Whole Blood using Nanopore Sequencing. Journal of Visualized Experiments 148.        
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31205309
  • Fischer K, Jabaty J, Suluku R, Strecker T, Groseth A, Fehling SK, Balkema-Buschmann A, Koroma B, Schmidt KM, Ataherstone C, Weingartl HM, Mettenleiter TC, Groschup MH, Hoenen T, Diederich S. 2018. Serological evidence for the circulation of Ebolaviruses in pigs from Sierra Leone. Journal of Infectious Diseases 218(suppl_5):S360-S364.   
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29982580
  • Hoenen T. 2016. Sequencing of Ebola Virus Genomes Using Nanopore Technology. Bioprotocols 6(21):e1998.   
    https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28180136