Academic literature on the topic 'Foamyvirus'

Abstract Preclinical animal models are important for evaluating the safety and therapeutic efficacy of new therapeutic modalities such as gene therapy. From the different large animal models, nonhuman primate models have emerged over the last decades as highly desirable experimental systems from both a pathophysiologic and pharmacokinetic viewpoint and the study of nonhuman primates has provided important information on the efficacy and safety of gene therapy systems in vivo prior to human trials. The common marmoset (Callithrix jacchus) has the advantage that it is a small, and thus relatively inexpensive nonhuman primate model. Currently, very little data on the transduction efficiency of foamyviral vectors for gene transfer into marmoset stem cells exists. We therefore performed a direct comparison using identically designed gammaretroviral, lentiviral and foamyviral vector constructs expressing the enhanced green fluorescent protein (EGFP) from the spleen focus forming virus (SFFV) promoter pseudotyped with either the modified human foamy virus (HFV) envelope EM140 or the G-protein of vesicular stomatitis virus (VSV-G) for the transduction of common marmoset embryonic stem cells (CMES) as well as marmoset CD34+ hematopoietic progenitor cells. Virus stocks of these vectors were prepared by polyethyleneimine-mediated transfection of 293T cells and concentrated approximately 10-fold by centrifugation for 4 hours at 10.000 g at 4°C. Three different target cell populations were transduced: common marmoset embryonic stem cells (CMES) or cryopreserved CD34-enriched cells from bone marrow of a common marmoset either after a two-day prestimulation in the presence of IL-6, FLT3L, cSCF and TPO at a concentration of 100 ng/mL each, or after overnight incubation with 100 ng/mL SCF only. Equal numbers of cells were exposed to the four different vector preparations for 14 hours in 12-well dishes coated with CH-296. The read-out was based on fluorescence microscopy of colonies plated in methyl cellulose as well as flow cytometry (FACS). Foamyviral vectors with the foamyviral envelope were the most efficient gene transfer tool for marmoset hematopoietic CD34-positive cells with stable transduction rates of over 80% as assessed by flow cytometry at both 2 or 7 days after the end of transduction and on average 88% transduction efficiency into colony forming cells (CFU-C). Transduction of CFU-C with all other vector preparations was below 60%. In CMES, initial gene transfer rates of over 80% were achieved with the VSV-G pseudotype lentiviral vector, however, expression decreased to 13% after 7 days. In contrast, the foamyviral vector pseudotyped with the foamyviral envelope decreased only from 49% to 24% after 7 days. In conclusion, we achieved stable viral gene transfer and expression in CMES cells as well as highly efficient gene transfer into common marmoset hematopoietic CD34 positive cells using foamyviral vectors. These results suggest that foamyviral vectors may be highly feasible vectors for stem cell gene transfer and thus set the stage for a more detailed analysis of this vector system in transplantation studies in this nonhuman primate model.

Abstract Fanconi anemia (FA) is a recessive DNA repair disorder characterized by congenital abnormalities, bone marrow failure, genomic instability, and a predisposition to malignancies. As the majority of FA patients ultimately acquires severe bone marrow failure, transplantation of stem cells from a normal donor is the only curative treatment to replace the malfunctioning hematopoietic system. Stem cell gene transfer technology aimed at re-introducing the missing gene is a potentially promising therapy, however, prolonged ex vivo culture of cells, that was utilized in clinical trials with gammaretroviruses, results in a high incidence of apoptosis and at least in mice predisposes the surviving reinfused cells to hematological malignancy. Consequently, gene delivery systems such as lentiviruses that allow a reduction in ex vivo culture time are highly desirable. Here, we constructed a lentiviral vector expressing the human FANCA cDNA and tested the ability of this construct pseudotyped with either VSVG or a modified prototype foamyvirus (FV) envelope to correct Fanca−/− stem and progenitor cells in vitro and in vivo. In order to minimize genotoxic stress due to extended in vitro manipulations, an overnight transduction protocol was utilized where in the absence of prestimulation, murine Fanca−/− bone marrow cKit+ cells were co-cultured for 16h with FANCA lentivirus on the recombinant fibronectin fragment CH296. Transduction efficiency and transfer of lentivirally expressed FANCA was confirmed functionally in vitro by improved survival of consistently approximately 60% of clonogenic progenitors in serial concentrations of mitomycin C (MMC), irregardless of the envelope that was utilized to package the vector. Transduction of fibroblasts was also associated with complete correction of MMC-induced G2/M arrest and biochemically with the restoration of FancD2 mono-ubiquitination. Finally, to functionally determine whether gene delivery by the recombinant lentivirus during such a short transduction period is sufficient to correct Fanca−/− stem cell repopulation to wild-type levels, competitive repopulation experiments were conducted as previously described. Follow-up of up to 8 months demonstrated that the functional correction were also achieved in the hematopoietic stem cell compartment as evidenced by observations that the repopulating ability of Fanca−/− stem cells transduced with the recombinant lentivirus encoding hFANCA was equivalent to that of wild-type stem cells. Importantly, despite the fact that the gene transfer efficiency into cells surviving the transduction protocol were similar for both pseudotypes, VSVG was associated with a 4-fold higher toxicity to the c-kit+ cells than the FV envelope. Thus, when target cell numbers are limited as stem cells are in FA patients, the foamyviral envelope may facilitate overall greater survival of corrected stem cells. Collectively, these data indicate that the lentiviral construct can efficiently correct FA HSCs and progenitor cells in a short transduction protocol overnight without prestimulation and that the modified foamy envelope may have less cytotoxicity than the commonly used VSVG envelope.

AbstractFanconi anemia (FA) is a complex genetic disorder characterized by congenital abnormalities, bone marrow failure, and myeloid malignancies. Identification of 13 FA genes has been instrumental to explore gene transfer technologies aimed at correction of autologous FA-deficient stem cells. To date, 3 human FA stem cell gene therapy trials with standard 4-day transduction protocols using gammaretroviral vectors failed to provide clinical benefit. In addition, 2- to 4 day ex vivo manipulation of bone marrow from mice containing a disruption of the homologue of human FANCC (Fancc) results in a time-dependent increase in apoptosis and a risk for malignant transformation of hematopoietic cells. Here, we show that a 14-hour transduction period allows a foamyviral vector construct expressing the human FANCC cDNA to efficiently transduce murine FA stem cells with 1 to 2 proviral integrations per genome. Functionally, the repopulating activity of Fancc−/− stem cells from reconstituted mice expressing the recombinant FANCC transgene was comparable with wild-type controls. Collectively, these data provide evidence that short-term transduction of c-kit+ cells with a foamyviral vector is sufficient for functional correction of a stem cell phenotype in a murine FA model. These data could have implications for future gene therapy trials for FA patients.

Abstract Fanconi anemia (FA) is a complex autosomal recessive genetic disorder characterized within the hematological system by progressive bone marrow aplasia, a high propensity to develop acute myeloid leukemia, and hypersensitivity to alkylating agents including mitomycin c. The identification of individual FA genes raises the potential of using gene transfer technology to express/introduce the functional cDNA in/into deficient autologous stem cells. We have previously shown that in the absence of genetic correction with a retroviral mediated Fancc transgene, ex vivo culture of Fancc−/− stem/progenitor cells (HSPC) predisposes uncorrected Fancc−/− HSPC cells to clonal hematopoiesis (Haneline, Blood 2003). Therefore we examined the potential of a helper-free human foamy virus (HFV) derived construct that encodes both the human FANCC and EGFP transgenes to transduce murine Fancc−/− HSC in the absence of prestimulation. In initial experiments, we determined that 40–80% of progenitors were transduced following a single overnight HFV infection using a 20:1 moiety of infection. Subsequent studies demonstrated that HFV efficiently transduced primitive hematopoietic progenitors in G0 and G1 phases of the cell cycle as evidenced both by using multicolor fluorescence activated cell sorting and subsequent culture of sorted cell populations in high proliferating potential (HPP-CFC) and low proliferating potential colony forming assays. Aliquots of HFV transduced cells that were transduced with the construct encoding both Fancc and EGFP, or the reporter transgene only were transplanted into irradiated recipient mice. Four months following transplantation, bone marrow cells were isolated from the reconstituted recipients and clonogenic assays were established in a range of mitomycin c (MMC) concentrations. In these experiments, the MMC hypersensitivity of Fancc−/− progenitors was corrected to wild-type levels. To assess quantitatively the potential of HFV expressed FANCC to correct stem cell repopulating ability, we next utilized the competitive repopulating assay. In two replicate experiments, we determined that the repopulating activity of HFV-transduced Fancc−/− stem cells was comparable to wildtype controls six months following transplantation in primary and secondary recipients. Collectively, these data provide in vivo evidence that the HFV vector is an efficient vehicle for introducing a functional hFANCC transgene into quiescent Fancc−/− HSC in the absence of prestimulation and for complementing the cellular FA defect in vitro and in vivo.

Abstract Fanconi anemia (FA) is a recessive DNA repair disorder characterized by bone marrow (BM) failure, genomic instability, and a predisposition to malignancies. Natural gene therapy due to molecular self-correction of hematopoietic stem cells (HSCs) has been reported in a minority of FA patients, suggesting that due to the in vivo selection advantage of the corrected cells, FA is an excellent model disease for stem cell gene therapy. However, the scarcity of autologous HSCs from FA patients for research purposes is one of the major road blocks to preclinical studies with human cells. Here, we developed a lentiviral vector with EGFP as marker gene that co-expresses two distinct shRNA sequences against FANCA under two different human promoters (H1 and U6). In vitro analysis in primary human fibroblasts showed that stable integration of this construct was highly efficient to induce the typical FA cellular phenotypes as assessed by (1) FANCD2 ubiquitination deficiency and (2) a characteristic G2/M arrest upon DNA damage induced by DNA crosslinking reagent Mitomycin C (MMC). We then transduced human cord blood (CB) CD34+ cells with this lentiviral vector and demonstrated a reduced survival of clonogenic cells in progenitor assays at 20nM MMC: 70% (scrambled control shRNA) vs. 23% (FANCA shRNA). This vector pseudotyped with a foamyviral envelope was then used to transduce CD34+ CB cells on fibronectin CH296. The next day, genetically modified cells were transplanted into NOD.Cg---Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/SzJ (NSG) mice. When analyzing the percentage of EGFP+ cells in the human graft (hCD45+ cells), we noticed a progressive decline of EGFP+ cells from 29% on day 5 to 5% at 4 months after transplantation in the peripheral blood of the recipient mice, mimicking the progressive BM failure in FA patients. In contrast, engraftment over time was stable in CD34+ cells transduced with scrambled control shRNA vector (33% on day 5 vs. 34% at 4 months). The human progenitors isolated from the BM of NSG recipient mice at sacrifice 4 months after initial transduction and transplantation are still hypersensitive to MMC, with a much lower survival rate of 34% at 20nM MMC in the FANCA shRNA group as compared to 78% in the scrambled control shRNA group, thus confirming the knockdown by the lentiviral shRNA construct is stable. In summary, the novel double shRNA lentiviral vector is capable of inducing all major hallmarks of FA cells in normal human CB CD34+ cells, thus providing unlimited FA-like cellular materials including NSG mice-repopulating HSCs for preclinical gene therapy and basic stem cell biology research in FA. Disclosures: No relevant conflicts of interest to declare.

Spumaretroviren, oder Foamyviren (FV), unterscheiden sich von Orthoretroviren durch mehrere Besonderheiten in ihrer Replikationsstrategie. Das Partikel-assoziierte Hüllglykoprotein (Env-Protein) des „Prototype Foamy Virus“ (PFV) ist im Vergleich zu anderen retroviralen Hüllglykoproteinen einzigartig. Die Koexpression des PFV Env-Proteins für die PFV-Partikelfreisetzung ist essenziell und die spezifische Funktion kann nicht von heterologen viralen Env-Proteinen übernommen werden. Das Env-Protein des PFV durchläuft eine für ein Membranglykoprotein ungewöhnliche Biosynthese. Das Env-Vorläuferprotein besitzt zu Beginn eine Typ-III-Membrantopologie, bei der der N- und der C-Terminus im Zytoplasma lokalisiert sind. Während des Transports zur Zelloberfläche wird es posttranslational durch bisher unbekannte zelluläre Proteasen in mindestens drei Untereinheiten gespalten. Das N-terminale Signalpeptid bzw. Leader-Peptid (LP) hat eine Typ-II-Membrantopologie, mit dem N-Terminus im Zytoplasma und dem C-Terminus im Lumen, wohingegen die Transmembran (TM)-Untereinheit eine Typ-IMembrantopologie besitzt, bei der der N-Terminus im Lumen und der C-Terminus im Zytoplasma lokalisiert sind. Die interne Oberflächen (SU)-Untereinheit assoziiert vermutlich im Lumen mit der extrazellulären Domäne der TM-Untereinheit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Beweis erbracht, dass Furin oder Furin-ähnliche Proteasen und nicht der Signalpeptidase-Komplex für beide proteolytischen Spaltungen verantwortlich sind. Durch die N-terminale Sequenzierung der SU- und der TM-Untereinheit eines aufgereinigten PFV Env-Immunoadhäsionsproteins wurden N-terminal von beiden Spaltstellen Furin- Konsensussequenzen identifiziert. Mutationsanalysen von zwei sich in diesem Bereich überlappenden minimalen Furin-Konsensussequenzen an der PFV LP/SU-Spaltstelle im wildtypischen PFV Env-Protein bestätigten die Ergebnisse der N-terminalen Sequenzierung und bewiesen, dass nur die erste Spaltstelle genutzt wird. Obwohl diese Mutanten aufgrund geringerer Partikelfreisetzung einen signifikanten Verlust der Infektiosität zeigten, wurde keine Korrelation zur Inhibierung der Spaltung beobachtet, da andere Mutanten mit normaler LP/SU-Spaltung einen ähnlichen Defekt besaßen. Virale Env-Proteine initiieren den Eintritt membranumhüllter Viren in die Wirtszelle durch die Bindung an zelluläre Rezeptoren. Dabei führen Konformationsänderungen in den Env- Proteinen zum Verschmelzen der Virusmembran mit der Zellmembran und weiterhin zur Aufnahme des Kapsids in das Zytoplasma der Wirtszelle. Die foamyviralen Env-Proteine sind in dieser Hinsicht keine Ausnahme und vermitteln die Anheftung an die Wirtszelle durch die Bindung an den bisher unbekannten zellulären Rezeptor. Der zelluläre foamyvirale Rezeptor ist vermutlich ein ubiquitäres Molekül, denn bisher konnte keine Zelllinie identifiziert werden, die gegen FV-Infektionen resistent ist. Bislang existieren nur sehr wenig strukturelle und funktionelle Informationen der extrazellulären Domänen des PFV Env-Proteins. Deshalb wurde im Hauptteil dieser Arbeit die PFV Env-Rezeptorbindungsdomäne (RBD) charakterisiert. Hierfür wurden rekombinante PFV Env-Immunoadhäsionsproteine verwendet und deren Bindungskapazitäten an Zielzellen in der durchflusszytometrischen Analyse bestimmt. Untersuchungen zeigten, dass sowohl die extrazelluläre Domäne der C-terminalen TM-Untereinheit als auch der Transport der Immunoadhäsionsproteine durch das spezifische PFV Env LP zum sekretorischen Weg für die Bindung an Zielzellen entbehrlich sind und ließen vermuten, dass die PFV Env-RBD innerhalb der SU-Untereinheit lokalisiert ist. N- und C-terminale Deletionsanalysen der PFV Env SU-Untereinheit enthüllten eine minimale kontinuierliche RBD von AS 225 bis 555. Interne Deletionen im PFV Env-Protein von AS 397 bis 483 wurden im Gegensatz zu deletierten Regionen von AS 262 bis 300 und AS 342 bis 396 ohne signifikanten Einfluss auf die Wirtszellbindung in Immunoadhäsionsproteinen toleriert. Die Analyse der Immunoadhäsionsproteine mit einzelnen substituierten Cysteinen in der PFV Env SU-Untereinheit zeigten, dass nur die Immunoadhäsionsproteine, die in der nicht essenziellen Region von AS 397 bis 483 lokalisierte Cysteine ersetzt hatten, eine Restbindungskapazität behielten. Interessanterweise zeigte die Analyse von verschiedenen N-Glykosylierungsmutanten eine bedeutende Rolle der Kohlenhydratkette an Position N391 im PFV Env-Protein entweder hinsichtlich der direkten Interaktion mit dem zellulären Rezeptor oder für die korrekte Faltung der PFV Env-RBD. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein diskontinuierliches Sequenzmotiv von AS 225 bis 396 und AS 484 bis 555 für die Bildung der PFV Env-RBD essenziell ist und die darin lokalisierte potenzielle achte N-Glykosylierungsstelle eine entscheidende Rolle bei der Wirtszellbindung spielt
Spumaretroviruses or foamy viruses (FVs) use a replication pathway with features distinctive from orthoretroviruses. The particle-associated envelope (Env) glycoprotein of prototype foamy virus (PFV) is unique compared to other retroviral envelope proteins since its coexpression is strictly required for the FV particle release process and its function cannot be replaced by heterologous viral glycoproteins. The PFV Env glycoprotein shows a highly unusual biosynthesis. Its precursor protein has a type III membrane topology with both the N-and C-terminus located in the cytoplasm. During its transport to the cell surface, it is posttranslationally processed by yet-unidentified cellular proteases into at least three subunits. The N-terminal signal or leader peptide (LP) has a type II membrane topology, whereas the C-terminal transmembrane (TM) subunit has a type I membrane topology. The internal surface (SU) subunit presumably associates with extracellular domains of TM on the luminal side. Here we provide strong evidence that furin itself or furin-like proteases and not the signal peptidase complex are responsible for both processing events. N-terminal protein sequencing of the SU and TM subunits of purified PFV Env-immunoglobulin immunoadhesin identified furin consensus sequences upstream of both cleavage sites. Mutagenesis analysis of two overlapping minimal furin consensus sequences at the PFV LP/SU cleavage site in the wild-type protein confirmed the sequencing data and demonstrated utilization of only the first site. Although these mutants displayed a significant loss in infectivity as a result of reduced particle release, no correlation to processing inhibition was observed, since another mutant having normal LP/SU processing had a similar defect. Viral Env proteins initiate entry of membrane enveloped viruses into cells by binding to cell surface receptors followed by conformational changes leading to membrane fusion and delivery of the genome containing viral capsid to the cytoplasm. The Env glycoproteins of FVs are no exception and mediate attachment to host cells through binding to an yet unknown ubiquitous cellular receptor molecule because no cell type is currently known that is resistant to FV entry. Little structural and functional information on the extracellular domains of PFV Env is available. In this study we characterized the PFV Env receptor-binding-domain (RBD) by flow-cytometric analysis of recombinant PFV Env immunoadhesin binding to target cells. Analysis showed that the extracellular domains of the C-terminal TM subunit as well as targeting of the recombinant immunoadhesins by the cognate LP to the secretory pathway were dispensable for target cell binding suggesting that the PFV Env RBD is contained within the SU subunit. N- and C- terminal deletion analysis of the SU domain revealed an minimal continuous RBD spanning aa 225-555, however internal deletions covering the region from aa 397-483, but not aa 262-300 or aa 342-396, were tolerated without significant influence on host cell binding. Analysis of individual cysteine point mutants in PFV Env SU revealed that only most of those located in the non-essential region from aa 397-483 retained residual binding activity. Interestingly, analysis of various N-glycosylation site mutants suggests an important role of the carbohydrate chain attached to N391 either for direct interaction with the cellular receptor or for correct folding of the PFV Env RBD. Taken together these results suggest that a bipartite sequence motif spanning aa 225-396 and aa 484-555 is essential for formation of the PFV Env RBD, with N-glycosylation site 8 playing a crucial role for host cell binding

Innerhalb der Retroviren unterscheiden sich die Foamyviren (FV) bezüglich ihrer Proteinexpression, der Partikelmorphogenese und ihres Reproduktionszyklus deutlich von den Orthoretroviren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei exklusive Merkmale der Foamyviren, die ungewöhnliche Struktur des Gag-Proteins und die Gag unabhängige Pol-Expression, in ihrer Auswirkung auf Morphogenese und Zusammensetzung foamyviraler Partikel untersucht. Für die Morphogenese infektiöser Partikel sind sehr unterschiedliche Mengen der Genprodukte eines Retrovirus nötig. Im Gegensatz zu den Orthoretroviren wird bei Foamyviren das Produkt des pro/pol-ORFs von einer eigenen, gespleißten mRNA translatiert. Der Gag/Pro/Pol-Gehalt in den Viruspartikeln kann folglich nicht wie bei Orthoretroviren über eine gekoppelte Translation und Inkorporation von Gag- und Gag/Pro/Pol-Fusionsproteinen reguliert werden. In dieser Arbeit wurde der Frage nach dem molekularem Verhältnis von Gag- und Pro/Pol-Proteinen in foamyviralen Partikeln nachgegangen. In den isolierten PFV Partikeln war der relative Gehalt an dem Gag-Prozessierungsprodukt p68 viermal höher als der Gehalt an dem Gag-Vorläuferprotein p71. Das Gag-Prozessierungsprodukt p68 bildet somit das Hauptstrukturelement der PFV Kapside. Weiterhin ergab sich ein Verhältnis von 16 Gag-Molekülen zu einem p85PR/RT-Molekül sowie 10 Gag-Molekülen pro p40IN-Molekül. Damit entsprach die Gag/Pol-Zusammensetzung von PFV Partikeln den stöchiometrischen Verhältnissen in orthoretroviralen Partikeln von 10 - 20 Gag-Molekülen pro Pol-Molekül. Dieses Ergebnis ist in Hinsicht auf die unterschiedlichen Synthesestrategien von Gag und Pol bei Orthoretro- und Foamyviren bemerkenswert. Basierend auf diesen Ergebnissen stellt sich für weiterführende Untersuchungen nun die Frage nach der Regulation der Gag- und Pol-Synthese bei Foamyviren. Bei Orthoretroviren setzt sich in einem Prozess der Selbstorganisation das Strukturprotein Gag autonom zu virusähnlichen Partikeln zusammen, die auch in Abwesenheit weiterer viraler Komponenten aus der Wirtszelle freigesetzt werden. Foamyviren dagegen benötigen für die Freisetzung ihrer Viruspartikel neben dem Strukturprotein obligat die Koexpression ihres Glykoproteins. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden funktionelle Abschnitte im PFV Gag-Protein eingegrenzt und charakterisiert, die eine Rolle bei der Bildung und Freisetzung der viralen Partikel spielen. Eine schrittweise Deletion des PFV Gag-Proteins vom C-Terminus her zeigte, dass die N-terminalen 300 As von PFV Gag ausreichend für die Freisetzung von partikulärem viralem Proteinmaterial sind. Die Analyse weiterer Deletionsmutanten innerhalb des N-Terminus des PFV Gag-Proteins belegte, dass die As 6 - 200 für die Bildung viraler Kapside entbehrlich sind, aber für die Interaktion mit dem viralen Glykoprotein und für eine Freisetzung der viralen Partikel aus der Wirtszelle essentiell sind. Die Substitution einzelner konservierter Aminosäuren durch Alanin zwischen As 40 - 60 blockierte die Partikelmorphogenese. Die Aminosäureabfolge dieses Proteinabschnittes zeigte eine große Ähnlichkeit mit einem zellulären Transportsignal, dass in den Gag-Proteinen von Retroviren des Typ-D-Morphogeneseweges entdeckt worden ist. Eine parallele Mutationsanalyse des FFV Gag-Proteins ließ vermuten, dass dieses Motiv wohl universell in allen FV Gag-Proteinen vorhanden ist. Weiterhin konnten Aminosäureabschnitte am unmittelbaren N-Terminus des PFV Gag-Proteins sowie zwischen As 130 - 200 eingegrenzt werden, die essentiell für die Struktur des Proteins sind und eventuell eine wichtige Funktion bei der Partikelmorphogenese erfüllen. Weitere Untersuchungen und insbesondere eine Strukturaufklärung des PFV Gag-Proteins sind nötig, um die genaue Funktion der einzelnen Proteinabschnitte zu charakterisieren.

Innerhalb der Retroviren unterscheiden sich die Foamyviren (FV) bezüglich ihrer Proteinexpression, der Partikelmorphogenese und ihres Reproduktionszyklus deutlich von den Orthoretroviren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei exklusive Merkmale der Foamyviren, die ungewöhnliche Struktur des Gag-Proteins und die Gag unabhängige Pol-Expression, in ihrer Auswirkung auf Morphogenese und Zusammensetzung foamyviraler Partikel untersucht. Für die Morphogenese infektiöser Partikel sind sehr unterschiedliche Mengen der Genprodukte eines Retrovirus nötig. Im Gegensatz zu den Orthoretroviren wird bei Foamyviren das Produkt des pro/pol-ORFs von einer eigenen, gespleißten mRNA translatiert. Der Gag/Pro/Pol-Gehalt in den Viruspartikeln kann folglich nicht wie bei Orthoretroviren über eine gekoppelte Translation und Inkorporation von Gag- und Gag/Pro/Pol-Fusionsproteinen reguliert werden. In dieser Arbeit wurde der Frage nach dem molekularem Verhältnis von Gag- und Pro/Pol-Proteinen in foamyviralen Partikeln nachgegangen. In den isolierten PFV Partikeln war der relative Gehalt an dem Gag-Prozessierungsprodukt p68 viermal höher als der Gehalt an dem Gag-Vorläuferprotein p71. Das Gag-Prozessierungsprodukt p68 bildet somit das Hauptstrukturelement der PFV Kapside. Weiterhin ergab sich ein Verhältnis von 16 Gag-Molekülen zu einem p85PR/RT-Molekül sowie 10 Gag-Molekülen pro p40IN-Molekül. Damit entsprach die Gag/Pol-Zusammensetzung von PFV Partikeln den stöchiometrischen Verhältnissen in orthoretroviralen Partikeln von 10 - 20 Gag-Molekülen pro Pol-Molekül. Dieses Ergebnis ist in Hinsicht auf die unterschiedlichen Synthesestrategien von Gag und Pol bei Orthoretro- und Foamyviren bemerkenswert. Basierend auf diesen Ergebnissen stellt sich für weiterführende Untersuchungen nun die Frage nach der Regulation der Gag- und Pol-Synthese bei Foamyviren. Bei Orthoretroviren setzt sich in einem Prozess der Selbstorganisation das Strukturprotein Gag autonom zu virusähnlichen Partikeln zusammen, die auch in Abwesenheit weiterer viraler Komponenten aus der Wirtszelle freigesetzt werden. Foamyviren dagegen benötigen für die Freisetzung ihrer Viruspartikel neben dem Strukturprotein obligat die Koexpression ihres Glykoproteins. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden funktionelle Abschnitte im PFV Gag-Protein eingegrenzt und charakterisiert, die eine Rolle bei der Bildung und Freisetzung der viralen Partikel spielen. Eine schrittweise Deletion des PFV Gag-Proteins vom C-Terminus her zeigte, dass die N-terminalen 300 As von PFV Gag ausreichend für die Freisetzung von partikulärem viralem Proteinmaterial sind. Die Analyse weiterer Deletionsmutanten innerhalb des N-Terminus des PFV Gag-Proteins belegte, dass die As 6 - 200 für die Bildung viraler Kapside entbehrlich sind, aber für die Interaktion mit dem viralen Glykoprotein und für eine Freisetzung der viralen Partikel aus der Wirtszelle essentiell sind. Die Substitution einzelner konservierter Aminosäuren durch Alanin zwischen As 40 - 60 blockierte die Partikelmorphogenese. Die Aminosäureabfolge dieses Proteinabschnittes zeigte eine große Ähnlichkeit mit einem zellulären Transportsignal, dass in den Gag-Proteinen von Retroviren des Typ-D-Morphogeneseweges entdeckt worden ist. Eine parallele Mutationsanalyse des FFV Gag-Proteins ließ vermuten, dass dieses Motiv wohl universell in allen FV Gag-Proteinen vorhanden ist. Weiterhin konnten Aminosäureabschnitte am unmittelbaren N-Terminus des PFV Gag-Proteins sowie zwischen As 130 - 200 eingegrenzt werden, die essentiell für die Struktur des Proteins sind und eventuell eine wichtige Funktion bei der Partikelmorphogenese erfüllen. Weitere Untersuchungen und insbesondere eine Strukturaufklärung des PFV Gag-Proteins sind nötig, um die genaue Funktion der einzelnen Proteinabschnitte zu charakterisieren.

Foamyviren (FV) gehören zur Familie der Retroviridae, werden aber aufgrund besonderer Eigenschaften in eine eigene Unterfamilie, die Spumaretrovirinae, eingeordnet. FV besitzen vor allem in vitro einen sehr breiten Tropismus, so dass bisher keine Zelllinie bekannt war, die nicht durch FV infiziert werden konnte. Obwohl diese Besonderheit darauf schließen lässt, dass ein sehr ubiquitäres Molekül auf der Wirtszelloberfläche für die FV-Bindung verwendet wird, ist der Rezeptor für die Virus-Aufnahme noch nicht bekannt. Dass FV einen pH-abhängigen Aufnahmemechanismus verwenden, lässt eine endozytotische Aufnahme vermuten. Dennoch sind die frühen Replikationsschritte, die zur Fusion der viralen und Wirtszellmembran führen, nur unzureichend charakterisiert. Deswegen wurden in der vorliegenden Arbeit funktionelle autofluoreszierende FV hergestellt, um die Bindung und Aufnahmemechanismen foamyviraler Partikel in Wirtszellen mit fluoreszenzmikroskopischen Analysen zu untersuchen. Mit diesen Methoden konnten erstmalig vier Zelllinien identifiziert werden, die nicht mit FV infizierbar sind, und damit mögliche Kandidaten für die Identifizierung des unbekannten FV Rezeptors darstellen. Des Weiteren wurden die fluoreszierenden FV erfolgreich eingesetzt, um die Fusionsereignisse zwischen viraler und zellulärer Membran in Echtzeit in lebenden Zellen zu untersuchen. Die durchgeführte „Single Virus Tracking“-Analyse zeigte, dass PFV (Prototype FV) Env-tragende Partikel sowohl an der Plasmamembran als auch in vermeintlichen Endosomen fusionieren können, wohingegen SFV (Simian FV) Env-tragende Partikel die Fusion wahrscheinlich nur in Endosomen auslösen können. Hinweis zur Nutzung der Filmdateien: Öffnen mit QuickTimePlayer bzw. ImageJ

Die Familie der Retrovirinae wird in zwei Unterfamilien untergliedert, die Orthoretrovirinae und die Spumaretrovirinae. Foamyviren stellen aufgrund einiger besonderer Eigenschaften die einzigen Vertreter dieser Unterfamilie, die sie als Bindeglied zwischen den Retroviren und den Hepadnaviren erscheinen lassen. So erfolgt beispielsweise die reverse Transkription des viralen Genoms nicht erst nach Eintritt in die Zielzelle, sondern, anders als bei Orthoretroviren, bereits in der Produzentenzelle noch während oder kurz nach der Morphogenese. Diese Eigenschaft teilen Foamyviren mit den Hepadnaviren ebenso wie die obligate Koexpression der Kapsidproteine mit den viralen Hüllproteinen für die Freisetzung von Viruspartikeln. Im Gegensatz zu Orthoretroviren sind Foamyviren folglich nicht in der Lage virusähnliche Partikel (VLP) zu sekretieren und die spezifische Funktion des PFV Env Proteins kann nicht durch heterologe Hüllproteine übernommen werden. Die Synthese des PFV Env Vorläuferproteins erfolgt am rER, wobei es eine Typ III Membrantopologie erhält, mit sowohl dem N- als auch dem C-Terminus im Zytoplasma. Während des Transports des Proteins zum Ort der Partikelknospung, wird es posttranslational im Golgi-Apparat, oder dem trans-Golgi Netzwerk, durch Furin oder eine Furin-ähnliche Protease in drei partikelassoziierte Untereinheiten prozessiert. Eine Partikelassoziation retroviraler Signalpeptide ist bislang nur für Foamyviren nachgewiesen worden, genauso wie eine essentielle Rolle dieses Proteins bei der Interaktion zwischen dem

Die Familie der Retrovirinae wird in zwei Unterfamilien untergliedert, die Orthoretrovirinae und die Spumaretrovirinae. Foamyviren stellen aufgrund einiger besonderer Eigenschaften die einzigen Vertreter dieser Unterfamilie, die sie als Bindeglied zwischen den Retroviren und den Hepadnaviren erscheinen lassen. So erfolgt beispielsweise die reverse Transkription des viralen Genoms nicht erst nach Eintritt in die Zielzelle, sondern, anders als bei Orthoretroviren, bereits in der Produzentenzelle noch während oder kurz nach der Morphogenese. Diese Eigenschaft teilen Foamyviren mit den Hepadnaviren ebenso wie die obligate Koexpression der Kapsidproteine mit den viralen Hüllproteinen für die Freisetzung von Viruspartikeln. Im Gegensatz zu Orthoretroviren sind Foamyviren folglich nicht in der Lage virusähnliche Partikel (VLP) zu sekretieren und die spezifische Funktion des PFV Env Proteins kann nicht durch heterologe Hüllproteine übernommen werden. Die Synthese des PFV Env Vorläuferproteins erfolgt am rER, wobei es eine Typ III Membrantopologie erhält, mit sowohl dem N- als auch dem C-Terminus im Zytoplasma. Während des Transports des Proteins zum Ort der Partikelknospung, wird es posttranslational im Golgi-Apparat, oder dem trans-Golgi Netzwerk, durch Furin oder eine Furin-ähnliche Protease in drei partikelassoziierte Untereinheiten prozessiert. Eine Partikelassoziation retroviraler Signalpeptide ist bislang nur für Foamyviren nachgewiesen worden, genauso wie eine essentielle Rolle dieses Proteins bei der Interaktion zwischen dem

Die Spumaretrovirinae, mit ihrer einzigen Gattung der Foamyviren (FV), nehmen aufgrund einer recht ungewöhnlichen Replikationsstrategie und Ähnlichkeiten mit den Hepadnaviren eine Sonderstellung innerhalb der Familie der Retroviren ein. Eine Besonderheit der FV ist, daß sie für die Partikelfreisetzung, im Gegensatz zu den Orthoretroviren, die beiden strukturellen Proteine Gag und Env benötigen. Das Gag- Protein trägt alle für den Kapsidzusammenbau nötigen strukturellen Komponenten, kann jedoch durch eine fehlende Membranbindungsdomäne nicht mit Zellmembranen assoziieren. Der Membrantransport der bereits im Zytoplasma zusammen gebauten FV Kapside wird vermutlich durch das FV Env-Protein vermittelt. Das FV Hüllprotein ist jedoch auch alleine zur Freisetzung von Kapsidlosen, Hüllprotein-haltigen subviralen Partikeln (SVP) fähig. Da eine Envunabhängige Freisetzung virus-ähnlicher Partikel durch ein FV Gag-Protein mit künstlichem Membrananker möglich ist, scheint das FV Gag-Protein auch essentielle strukturelle Elemente für die Partikelfreisetzung zu enthalten. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte in der Erforschung der Freisetzung von membranumhüllten Viren und den daran beteiligten viralen Determinanten und zellulären Mechanismen gemacht. Wobei den meist in den viralen Kapsidproteinen vorkommenden Late (L)-Domänen und deren Interaktion mit dem zellulären Proteinsortierungsweg in Multivesikuläre Körperchen (MVB) eine besondere Bedeutung zu kommt. Über die FV virale und subvirale Partikelfreisetzung und die dabei involvierten strukturellen viralen Domänen und zellulären Proteinen war jedoch bisher wenig bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch Mutationsanalysen von drei potentiellen L-Domän Sequenzmotiven im Prototyp FV (PFV) Gag-Protein ein, innerhalb der Primaten FV konserviertes, PSAP Konsensusmotiv als funktionelle L-Domäne charakterisiert werden. Dessen Mutation führte zu klassischen L-Domän Defekten mit verringerter Partikelfreisetzung, sowie einer elektronenmikroskopisch sichtbaren Arretierung der Virusknospung und seine Funktion war durch homo- und heterologe L-Domän Motive anderer Retroviren teilweise oder vollständig ersetzbar. Ein PPPI Motiv in PFV Gag, mit Ähnlichkeit zur L-Domän PPXY Konsensussequenz, schien jedoch keinen Einfluß auf die FV Freisetzung zu besitzen. Die Charakterisierung eines in allen FV Gag-Proteinen konservierten YXXL Motivs ließ eher auf eine wichtige Rolle beim korrekten Kapsidzusammenbau, als auf eine klassische LDomän Funktion schließen. Eine korrekte Kapsidmorphogenese schien entscheidend für die reverse Transkription des Virusgenoms zu sein. Durch Koexpression verschiedener dominant-negativer Mutanten des zellulären ESCRT-Proteinssortierungsweges konnte gezeigt werden, daß die virale Partikelfreisetzung von PFV augenscheinlich dem generellen Model der Freisetzung vieler membranumhüllter Viren über das VPS-System folgt. Eine spezifische Interaktion des PFV Gag PSAP L-Domän Motivs mit TSG101, einer frühen Komponente der ESCRT-Komplexe, verbindet PFV mit dem VPS-Sortierungsweg der Zelle. Die besondere Fähigkeit des FV Env-Proteins zur Freisetzung von SVPs wurde bereits vor einiger Zeit entdeckt, dennoch war bisher nichts über die viralen und zellulären Determinanten bekannt, die zu einer Knospung des Env-Proteins in Vesikel führten. Durch eine Reihe von Deletions- und Mutationsanalysen des PFV Env-Proteins konnten in dieser Arbeit zwei für die SVP-Freisetzung inhibitorische Abschnitte am N- und C-Terminus der zytoplasmatischen Domänen des Env- Proteins ermittelt werden. Weiterhin wurden essentielle Sequenzen im Leaderpeptid, sowie die Notwendigkeit der Membranspannenden Domäne der Transmembran- Untereinheit für die SVP-Freisetzung festgestellt. Obwohl das PFV Env-Protein kein bekanntes L-Domän Sequenzmotiv enthält, konnte ein Einfluß später Komponenten der ESCRT-Maschinerie auf die SVP-Bildung beobachtet werden. Wobei die genaue Eintrittsstelle in den VPS-Weg im Rahmen dieser Arbeit nicht definiert werden konnte. Die vorgenommen Analysen lassen vermuten, daß die Bildung von SVPs durch die Konzentration der Env-Proteine in der Zellmembranen reguliert wird. Welche genauen Mechanismen dabei zu Grunde liegen und wieweit die zelluläre Ubiquitinylierungsmaschinerie involviert ist, bedarf jedoch weiterer Erforschung. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen erneut die Sonderstellung der FV innerhalb der Familie der Retroviren. Auf der einen Seite folgt die foamyvirale Viruspartikelfreisetzung den typischen Mechanismen der retroviralen Virusknospung. Andererseits zeigt die Freisetzung von subviralen Partikeln, die bei keinem anderen Retrovirus bisher beobachtet wurde, eine weitere Parallele zur Replikationsstrategie der Hepadnaviren auf.