Dissertations / Theses on the topic 'Foamyvirus'

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.

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.

Stuttgart, Univ., Diss., 2006.
Enth. Zeitschriftenartikel aus: Virology ; 345 (2006) S. 502 - 508; PNAS ; 102 (2005) S. 7982 - 7987; Tierärztliche Umschau ; 59, (2004) S. 521 - 527; Gene Therapy ; 14 (2007) S. 613 - 620.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass fremde virale Hüllproteine wie das Env Protein des murinen Leukämievirus (MLV) oder das Glykoprotein des Virus der vesiklären Stomatitis (VSV) nicht in der Lage sind, die Funktion des homologen HFV Hüllproteins in Bezug auf die Viruspartikelfreisetzung des Humanen Foamyvirus zu übernehmen. Offenbar werden für die HFV Viruspartikelmorphogenese und -freisetzung spezifische Interaktionen zwischen dem Kapsid und dem homologen Hüllprotein benötigt. Mutationsanalysen ergaben, dass die membranspannende Domäne des HFV Hüllproteins in diesem Zusammenhang spezifische Aufgaben erfüllt, die nicht durch heterologe Formen der Membranverankerung übernommen werden können. Die Analyse der Fusionsaktivität verschiedener Hüllproteinmutanten zeigte, dass die zytoplasmatische Domäne des Proteins nicht essentiell für die Fusionsaktivität benötigt wird. Umfangreichere Deletionen, die auch Teile der langen membranspannenden Domäne des Proteins einschlossen, führten dagegen zum Verlust der Fusionseigenschaften des Hüllproteins. Innerhalb der membranspannenden Domäne des HFV Hüllproteins befindet sich ein konserviertes Lysin-Prolin Motiv, dessen Mutation sich auf den zellulären Transport und auf die Fusionsaktivität des Proteins auswirkte. Es zeichnet sich ab, dass die lange membranspannende Domäne des HFV Hüllproteins nicht nur als Membranverankerung dient, sondern zusätzlich für verschiedene Funktionen des Hüllproteins von Bedeutung ist
In the course of these studies it was shown that heterologous viral envelope proteins like the Env protein of MLV (murine leukemia virus) and the glycoprotein of VSV (vesicular stomatitis virus) are not able to substitute for the HFV Env protein in HF virus (human foamy virus) particle morphogenesis. These data suggest that HFV capsids require specific interactions with their homologous envelope protein in order to be enveloped and released from the cell. A mutational analysis revealed that the long membrane-spanning domain (MSD) of HFV Env plays a key role in this respect, since it cannot be replaced by alternative forms of membrane anchorage. The analysis of fusion activity of various HFV env mutants showed that the cytoplasmic domain (CyD) is not required to mediate membrane fusion. However, fusogenicity was lost when C-terminal parts of the MSD were deleted. Furthermore, it was shown, that mutations of the conserved lysine-proline motif within the MSD result in altered transport and fusion activity of HFV Env. Together, these data imply that the MSD of HFV Env does not only function as a domain that anchors the protein in the lipid bilayer. Instead, it appears that it adopts a specific conformation that is required to mediate different functions of the HFV Env protein

Foamyviren gehören zur Familie der Retroviren und sind in vielen verschiedenen Primaten-Spezies prävalent. Auch einzelne Foamyvirus-Infektionen des Menschen sind nach engem Kontakt zu Primaten beschrieben worden. Untersuchungen auf molekularer Ebene lagen bisher nur für Foamyviren der Altweltaffen vor. In der vorliegenden Arbeit wurde die komplette Nukleotidsequenz des Neuweltaffen-Foamyvirus des Klammeraffens (SFVspm) entschlüsselt und molekular charakterisiert. DNA wurde aus SFVspm infizierten Zellen isoliert. Ausgehend von einem 425 bp langen bekannten Abschnitt des Integrase-Gens wurde das foamyvirale Genom mithilfe der Polymerasekettenreaktion in fünf Abschnitten amplifiziert. Die Primer wurden anhand konservierter Sequenzen im SFV-Genom generiert. Die Genomabschnitte des 5’-Endes bis zum Integrase-Gen von SFVspm wurden in Plasmidvektoren kloniert und anschließend sequenziert, die Genomabschnitte vom Integrase-Gen zum 3’-Ende wurden direkt nach der PCR-Amplifikation sequenziert. Die Sequenzen der einzelnen SFVspm-Fragmente wurden zu einem zusammenhängenden Genom zusammengesetzt, wobei die Consensus-Sequenz aus mindestens drei unabhängigen Sequenzierungen pro Nukleotid ermittelt wurde. Anhand von Homologie-Vergleichen konnte das SFVspm mit einer Größe von 12212 bp als komplexes Retrovirus der Unterfamilie der Spumaretrovirinae identifiziert werden. Es besitzt alle konservierten Protein-Domainen, die charakteristisch für Primaten-Foamyviren sind. SFVspm stellt somit das erste vollständig sequenzierte und molekulargenetisch charakterisierte Neuweltaffen-FV dar. Zur Entwicklung eines diagnostischen Tests zum Nachweis einer SFVspm-Infektion wurde ein 765 bp langer Abschnitt des gag-Gens als Antigen exprimiert und ein Antikörper im Kaninchen-Serum generiert. In einem Western Blot zeigte sich für eine Detektion von SFVspm-Gag-Antigen bzw. Anti-SFVspm-Gag eine gute Spezifität und Sensitivität. Die auf Western Blot basierte Methodik wurde schließlich in Kombination mit einer PCR des Integrase-Gens zum Nachweis einer Infektion mit Neuweltaffen-Foamyvirus in Callithrix spp. angewandt. Es wurden Seren und Lymphozyten-DNA zwölf verschiedener Callithrix-Affen, sowie Gewebeproben aus Milz, Leber und Mundschleimhaut untersucht, wobei in keinem Tier eine SFV-Infektion nachgewiesen werden konnte. Da Foamyviren aufgrund ihrer genetischen Stabilität interessante Marker für phylogenetische Untersuchungen sind, wurden anhand der Kenntnis der Genomsequenz von SFVspm und fünf Altweltaffen-FV phylogenetische Stammbäume basierend auf Nukleotid- und Aminosäuresequenzen und der Maximum-Likelihood-Methode gezeichnet und SFVspm evolutionär eingeordnet. SFVspm zeigte sich als das evolutionär divergenteste Foamyvirus aus der Teilordnung der Primaten-Foamyviren. Dies spiegelt die phylogenetische Auftrennung ihrer Wirte, der Altweltaffen und Neuweltaffen, wider und bekräftigt eine gemeinsame Evolution von Foamyviren und ihren Wirten
Foamy viruses belong to the family of retroviruses and have been described to be prevalent in a wide variety of primates species with each species harboring a unique specific strain of SFV. Foamyvirus infections have also been described in humans who were in close contact to primates. Up to now molecular analysis has only been reported for old world simian foamy viruses. In this work the complete nucleotide sequence of the new world simian foamy virus from spider monkey (SFVspm) was determined and its molecular structure characterised. DNA was isolated from cells infected with SFVspm. Starting from a 425 bp long known region of the integrase gene, the foamy viral genome was amplified with polymerase chain reaction in five steps. Primers were designed according to relatively conserved regions in the genome of SFV. Genome fragments between the 5'LTR up to the integrase gene were cloned into plasmid vectors and their sequences were elucidated. The 3' end of the genome was determined by direct nucleotide sequencing of the PCR product. Genome assembly was based on at least three independently sequenced nucleotides and led to a SFVspm genome size of 12212 bp. Homology comparisons identifed the SFVspm genome as a complex retrovirus of the Spumaretrovirinae. It contains all conserved protein motifs described to be conserved among simian foamy viruses. SFVspm is the first completely sequenced and characterised new world simian foamy virus. A diagnostic test for the detection of SFVspm infection was developed. A 765 bp long fragment of the gag gene was used for the expression of antigen and a SFVspm Gag antibody was generated by the immunization of rabbits. SFVspm Gag antigen was detected with the sera containing anti-SFVspm Gag in Western Blot analysis with good specificity and sensitivity. Diagnostic tests based on Western Blot and PCR amplication of the integrase gene were performed for the detection of an infection with a New World simian foamy virus in Callithrix. Sera and DNA isolated from lymphocytes of 12 Callithrix, as well as tissue samples of spleen, liver and oral mucosa were tested, but no SFV infection could be detected. Because of their high genetic stability, foamy viruses can be taken as markers for phylogenetic analysis. Phylogenetic trees were created based on the nucleotide and amino acid sequences of SFVspm and five old world simian foamy viruses. SFVspm is the most divergent primate foamy virus known to date. This reflects the long-term phylogenetic separation of old world and new world primate host species– and confirms a co-evolution of foamy viruses and their hosts

Die rheumatoide Arthritis (RA) ist eine chronische, progressive und systemische Autoimmunerkrankung, in deren Zentrum das dauerhaft entzündete Synovialgewebe der Gelenke steht. Aufgrund vielfältiger Knochen- und Knorpel-destruierender Prozesse kommt es zu irreversiblen Funktionalitätsverlusten der betroffenen Gelenke. Eine tragende Rolle bei der Ausprägung der klinischen Manifestationen wird dabei der exzessiven Synthese des proinflammatorischen Cytokins IL-1 zugesprochen. Dessen Aktivität kann durch kompetitive Blockade des IL-1 Rezeptors Typ I mit dem natürlich vorkommenden, antiinflammatorischen IL-1 Rezeptorantagonisten (IL-1Ra) inhibiert werden. Der Cytokin-blockierende Therapieansatz mit Anakinra, einem rekombinant hergestellten IL-1Ra, konnte die pharmakologischen Behandlungsmöglichkeiten der RA seit 2001 wesentlich erweitern. Gleichwohl erfordern die geringen Halbwertszeiten von IL-1Ra regelmäßige subkutane Injektionen, um hinreichende therapeutische Wirkstoffspiegel im Patienten aufrecht zu erhalten. Vor diesem Hintergrund bieten somatische Gentherapiekonzepte eine vielversprechende Alternative zu den konventionellen Behandlungsstrategien bei der RA-Therapie. Ein IL-1Ra-Gentransfer ins Gelenk soll die persistierende, lokale, endogene Synthese des therapeutischen IL-1Ra-Proteins ermöglichen und lässt in dieser Hinsicht eine nachhaltige Verbesserung der klinischen Symptomatik erwarten. In dieser Arbeit wurden dafür gentherapeutische Foamyvirus-Adenovirus-Hybridvektoren (FAD) zur Expression des IL-1Ra entwickelt und die Funktionalität der Konstrukte evaluiert. Die Vektoren sollten die effizienten adenoviralen Transduktionsmechanismen mit dem Potential der foamyviralen somatischen Integration für einen direkten in vivo Gentransfer kombinieren. Das System besteht aus einem adenoviralen Hochkapazitätsvektor vom Serotyp 5, der eine selbstinaktivierende PFV-Vektorkassette unter Kontrolle des Reversen Tetracyclin Transaktivator Systems (Tet-On) enthält. In FAD-transduzierten Zellen wurde die funktionelle Induzierbarkeit der PFV-Vektorexpression nachgewiesen und die Kinetik der PFV-Partikelfreisetzung charakterisiert. Nach Induktion der PFV-Vektorkassette konnte in FAD-transduzierten Zellen ein langfristig-stabiler IL-1Ra-Gentransfer gezeigt werden. Ferner konnten protektive Effekte eines FAD-vermittelten IL-1Ra-Gentransfers im Zellkulturmodell nachgewiesen werden. Tierexperimentelle Untersuchungen zeigten eine erfolgreiche Transduktion von Synovialzellen nach intraartikulärer Applikation von FAD-Vektoren. Das Tetracyclin-regulierbare Hybridvektorsystem zur Expression des IL-1Ra, das in der vorliegenden Arbeit geschaffen wurde, könnte zukünftig die Basis für ein effektives Werkzeug zum intraartikulären Gentransfer in der klinischen Praxis bieten
Rheumatoid arthritis (RA) is a chronic, progressive and systemic autoimmune disease, characterized by invasive synovial hyperplasia. Several inflammatory cartilage- and bone- destroying processes lead to an irreversible loss of joint functionality. The excessive synthesis of the pro-inflammatory cytokine IL-1 has been implicated as a primary mediator of pathology in RA. The activity of IL-1 is initiated upon binding to the IL-1 receptor type I and can be inhibited by the naturally occurring anti-inflammatory IL-1 receptor antagonist (IL1-Ra) protein. The cytokine-blocking therapeutic approach with anakinra, a recombinant form of IL-1Ra, has significantly improved the pharmacological treatment of RA since 2001. Nevertheless, due to the short half-life of IL-1Ra, repeated subcutaneous injections are required to maintain therapeutic concentrations in the patient. Thus, somatic gene therapy may offer a promising alternative to conventional therapeutic strategies for treating RA. Following gene delivery of IL-1Ra, it may be expected that a sustained improvement of clinical symptoms is achievable due to the endogenous cellular synthesis and local secretion of the therapeutic IL-1Ra protein. In this work, foamy virus-adenovirus hybrid vectors (FAD) were developed for the expression of IL-1Ra and the functionality of the constructs was evaluated. The hybrids combine the high transduction efficiency of adenovirus vectors with the integrative potential provided by prototype foamy virus (PFV) vectors, for direct in vivo gene transfer. In the system, a complete expression cassette for self-inactivating PFV vectors, which is under the control of the tetracycline-dependent regulatory system (Tet-On), was inserted into the backbone of a serotype 5-based high-capacity adenoviral vector. In FAD-transduced cells, the induction of the PFV vector cassette was demonstrated and the release of secondary infectious PFV vectors was characterized. After the induction of the PFV vector cassette in FAD-transduced cells, a stable long-term IL1-Ra expression was shown. Furthermore, the anti-inflammatory potential of the FAD-mediated IL-1Ra gene transfer was successfully evaluated in a cell culture model. Animal studies indicated successful transduction of cells in the synovium after intra-articular application of FAD-vectors. The tetracycline-inducible hybrid vector system for the expression of IL-1Ra, which was created in the present work, may provide the future basis for an effective tool for intra-articular gene transfer in clinical settings

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 Integration der viralen DNA in die des Wirtsgenoms ist ein essentieller Schritt im Lebenszyklus der Retroviren. Das wissenschaftliche Interesse an der Analyse von retroviralen Integrationsmustern ist, vor allem in Hinblick auf die Anwendung von retroviral basierten Vektoren in der somatischen Gentherapie, neu angefacht worden. Entgegen der Annahme, dass die retrovirale Integration dem Zufallsprinzip folgend stattfindet, konnten in den letzten Jahren für verschiedene Genera der Retroviren virusspezifische Integrationsmuster enthüllt werden, die auf eine Bevorzugung von bestimmten chromosomalen Regionen hindeuten, deren Mechanismen noch nicht ausreichend geklärt sind. Für die Sicherheit von therapeutisch anwendbaren Vektoren ist die Analyse von retroviralen Intgerationsmuster daher unerlässlich geworden. Foamyvirus (FV)-basierte Vektoren besitzen ein großes Potential, in der somatischen Gentheraphie ihre Anwendung zu finden, so dass eine Analyse ihrer Integrationsmuster im humanen Genom erforderlich ist. Hierfür wurden humane 293-Zellen mit FV-basierten Vektoren transduziert und mittels inverser PCR 628 FV-Integrationsstellen kloniert, die zur Analyse von verschieden Aspekten des foamyviralen Integrationsmusters im humanen Genom lokalisiert wurden. Als Vergleich und als Kontrolle wurden 141 Murine Leukämie Virus-(MLV)- und 87 Humane Immundefiziens Virus-(HIV)-Integrationsstellen ebenfalls kloniert und analysiert. Im Vergleich zu HIV, welches die Integration in Gene bevorzugt, und MLV, welches eine starke Präferenz zur Integration in regulatorische Bereiche in der Nähe von Transkriptionsstartstellen (TSS) von Genen besitzt, konnten mit den hier ermittelten FV-Daten weder Präferenzen zur Integration in Gene, noch starke Präferenzen für regulatorische Bereiche beobachtet werden. Eine leichte Bevorzugung zur Integration in der Nähe der TSS war zu erkennen, die allerdings deutlich schwächer ausfiel als bei MLV. Weiterhin wurden bei der Betrachtung der Basenzusammensetzungen in der Umgebung der FV-Integrationsstellen statistisch signifikante Präferenzen für bestimmte Basen an bestimmten Positionen beobachtet, die ein schwaches Palindrom bildeten, dessen Symmetrieachse sich im Zentrum der nach der Integration duplizierten zellulären Sequenz sich befand. Eine aktive Teilnahme von mit der viralen Integrase (IN) interagierenden zellulären Proteinen an der retroviralen Integrationsreaktion in vivo und an der Wahl der retroviralen Integrationsstellen ist sehr wahrscheinlich. Solche mit der IN interagierende zelluläre Proteine sind für FV noch unbekannt, so dass hierfür ein experimentelles Testsystem etabliert wurde. Mit Hilfe von humanen Zellen, welche mittels retroviralem Gentransfer stabil C-terminal mit einem FLAG-Peptid fusionierte FV IN-Proteine expremierten, wurden in Pull-down-Experimenten und Maldi-Tof-Massenspektrometrie zwei zelluläre Proteine (NF90 und ADAR1) identifiziert, welche mit dem FV IN-Protein interagieren und aufgrund ihrer Spezifitäten potentzielle Kofaktoren der foamyviralen Integration darstellen könnten. Eine RNAi-basierte Runterregulierung der Expression beider Proteine konnte, aufgrund der essentiellen Rolle beider Proteine an der Regulation der Zellteilung, keine experimentellen Daten liefern, die eine Analyse über die Funktion beider Proteine an der Integrationsreaktion von FV zulassen. Die Funktion beider Proteine muss in biochemischen Versuchen noch evaluiert werden und könnte einen interessanten Einblick in die Wechselwirkungen von FV mit ihrem Wirt liefern. Neben der Identifikation der zwei mit der IN interagierenden zellulären Proteine zeigen die hier präsentierten Daten zusammenfassend, dass das Integrationsmuster der FV sich von MLV und HIV-1 unterscheidet und nahezu dem Zufallsprinzip folgt. Aufgrund der im Vergleich zu MLV deutlich schwächeren Präferenz zur Integration in der Nähe von regulatorischen Bereichen und der im Vergleich von HIV-1 überhaupt nicht vorhandene Bevorzugung zur Integration in Gene stellen FV-basierte Vektoren interessante alternative Vektorsysteme für die somatische Gentheraphie dar
The Integration of the viral DNA into the host genome is an essential step in the lifecycle of retroviruses. With respect to the application of retroviral based vectors for somatic gene theraphy the analysis of retroviral integration patterns has gained scientific interest. Contrary to the assumption that the retroviral integration into the host genome occurs by chance virus specific integration patterns have been uncovered in the last few years virus, which suggest that certain chromosomal regions are preferred sites of integration. In regard to the safety assessment of potentially applicable retroviral vectors the analysis of integration patterns has become indispensable. Foamy virus-(FV)-based vectors have evolved to promising alternative vector systems, which have a good capability to be used in clinical gene therapy trials, thus the evaluation of their integration pattern in the human genome is required. To accomplish this, 293 cells were transduced with FV vectors and the integration sites into the cellular genome were determined by a high-throughput method based on inverse PCR. For comparison, a limited number of murine leukemia virus (MLV) and human immunodeficiency virus (HIV) integration sites were analysed in parallel. Altogether, 628 FV, 87 HIV and 141 MLV distinct integration sites were mapped to the human genome. Compared with the integration-site preferences of HIV, which strongly favours active genes, and MLV, which favours integration near transcription-start sites (TSS), our results indicate that FV integration has neither of these preferences. However, once integration has occurred into a transcribed region of the genome, FVs tend to target promoter-close regions, albeit with less preference than MLV. Furthermore, by analysing the base composition surrounding the FV integration sites our study revealed statistical significant preferences for certain bases at certain positions resulting in a palindromic consensus sequence, which was centred on the virus-specific, four-base-duplicated target site. The mechanism which regulate the virus specific integration site selection are up to now not well understood, however cellular Proteins, which interact with the viral integrase (IN) protein, are most likely mediators. Such proteins have so far not been identified and analyzed for FV, thus an experimental test system for the identification of cellular proteins interacting with the FV IN was established. For this purpose human cells stably expressing the FV IN, which was C-terminally fused to the FLAG-peptide where generated via retroviral transduction and used in pull-down-assays. Two cellular proteins where identified (NF90 and ADAR1) which showed interaction with FV IN in pull-down-assays and which because of their specificties constitute potential cofactors of the FV integration in vivo. Using the RNAi approach the down regulation of NF90 and ADAR1 could not provide any experimental data towards their function on FV integration, because both Proteins appeared to have an essential role in the regulation of the cell cycle and a dramatic decrease in cell division was observed after down regulation of both Proteins. The Function of both Proteins needs to be determined by biochemical assays and can potentially reveal interesting insights in the interplay of FV with cellular proteins. In summary, apart from the identification of two cellular proteins, which interact with the FV IN-protein, it is shown that the integration pattern of FVs appears to be unique compared with those of other retroviral genera. On the basis of the weak preferences for FV to integrate near to TSS and the absent preferences for genes, FV-based vectors comprise interesting alternative vector systems

Foamyviren (FV) weisen eine Reihe von Merkmalen auf, welche sie von Orthoretroviren unterscheidet, die sie jedoch gleichzeitig mit den Hepadnaviren teilen. Dies betrifft neben der Genomorganisation, der Proteinexpression sowie dem Replikationsverhalten auch die Partikelmorphogenese. Die zentrale Komponente in diesem Prozeß stellt das Gag-Protein dar. FV benötigen im Gegensatz zu Orthoretroviren und vergleichbar den Hepadnaviren die Koexpression des homologen Glykoproteins für den zellulären Partikelexport. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde mittels eines chimären Konstruktes aus den Gag-Proteinen von MPMV und PFV versucht, ein Env-interagierendes Motiv sowie die für die Interaktion mit dem Glykoprotein essentiellen As in PFV Gag zu identifizieren. Dabei wiesen die chimären Gag-Proteine Gemeinsamkeiten mit PFV Gag auf, wie eine perinukleäre Akkumulation, eine Vorraussetzung für das Assembly sowohl von PFV als auch MPMV. Desweiteren waren die Gag-Chimären für einen zellulären Export auf die Koexpression des homologen Glykoproteins angewiesen. Dies deutete auf die Integrität und Funktionalität des dafür notwendigen PFV Gag N-Terminus hin. Die chimären Gag-Moleküle multimerisierten jedoch nicht zu Kapsiden oder vergleichbaren partikulären Strukturen, vermutlich aufgrund massiver sterischer Zwänge infolge der Beteiligung heterologer Proteindomänen, weswegen sie kein geeignetes System zur funktionellen Analyse der PFV Gag-Env-Interaktion darstellten. Eine weitere Besonderheit foamyviraler Gag-Proteine ist ihr äußerst geringer Lysinanteil. Im Gegensatz zu den Gag-Proteinen der Orthoretroviren wird der überwiegende Anteil basischer Aminosäuren (As) durch Arginin vertreten. Da über 60 % der Arginin-spezifizierenden Kodons über eine Einzelmutation aus Lysin-Kodons hervorgegangen sein könnten, ist es wahrscheinlich, daß im Verlauf der foamyviralen Evolution eine positive Selektionierung von Gag-Mutanten mit einer Lysin-zu-Arginin-Substitution stattfand. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde anhand der Beispiele von PFV sowie FFV der Frage nachgegangen, welche Funktionen Arginine in foamyviralen Gag-Proteinen während der Replikation übernehmen. Dazu wurde in infektiösen PFV- sowie FFV-Klonen eine Reihe von Argininen gegen Lysine substituiert. Zusätzlich wurde das singuläre Lysin in PFV Gag gegen Arginin substituiert. Dabei konnte gezeigt werden, daß sämtliche PFV- sowie FFV-Mutanten replikationskompetent waren. Das singuläre Lysin in PFV Gag war für dessen Replikation in immortalisierten Zellen entbehrlich, in einer primären Zellinie wies die entsprechende Mutante jedoch eine stark eingeschränkte Replikationsfähigkeit auf. Eine PFV-Substitutionsmutante (M141) induzierte in transfizierten 293T-Zellkulturen einen CPE, ein Hinweis auf eine Beteiligung dieses Gag-Abschnittes an der Interaktion mit dem PFV Glykoprotein. Nach zehnmaliger Zellkultur-Passagierung der PFV Gag-Mutanten traten weder Revertanten noch Pseudorevertanten auf, was jedoch aufgrund der kurzen Zeitspanne des Experimentes nur eine begrenzte Aussagekraft bezüglich der genetischen Stabilität der Mutanten zuließ. Mittels der Applikation von AZT, eines Inhibitors der foamyviralen reversen Transkription, entweder auf die virusproduzierenden Zellen oder die zur Infektion verwendeten Zielzellen konnte gezeigt werden, daß sich die PFV Gag-Lysinmutanten hinsichtlich ihrer Replikationsstrategie nicht von WT-Viren unterscheiden und ihre genomische RNA größtenteils noch in der Produktionszelle revers transkribieren. Desweiteren konnte mittels quantitativer real-time PCR nachgewiesen werden, daß die PFV- und FFV-Mutanten wie für FV üblich sowohl DNA als auch RNA in ihre Partikel verpacken. Die infektiöse Natur foamyviraler genomischer DNA konnte bereits in früheren Veröffentlichungen gezeigt werden. Auch in dieser Arbeit konnte nach Transfektion von Zellen mit aufgereinigter Virionen-DNA und anschließendem Überstandtransfer ein CPE in den infizierten Indikatorzellen induziert werden, was die Produktion infektiöser Viruspartikel bewies. Die -Aminogruppe von Lysin fungiert als potentieller Ubiquitinakzeptor. Für das singuläre Lysin im WT Gag-Protein von PFV konnte wie in früheren Veröffentlichungen keine Ubiquitinierung festgestellt werden, im Gegensatz dazu wurde bei vier der fünf PFV Substitutionsmutanten eine Ubiquitinierung der neu eingeführten Lysine detektiert. Diese kovalente Modifikation hatte jedoch keinen Einfluß auf die Env-Restriktion des PFV-Kapsidexportes aus der Zelle. Für FFV konnte sowohl für den WT als auch die Substitutionsmutanten weder eine LP- noch eine Gag-Ubiquitinierung festgestellt werden. Als wahrscheinliche Ursache dafür kommen Unterschiede in den Komponenten der Ubiquitinierungsmaschinerie zwischen humanen Zellen und Katzenzellen in Frage, weshalb die Analyse einer möglichen Ubiquitinierung der neu in FFV Gag eingeführten Lysine in Katzenzellen als Produktionszellen durchgeführt werden sollte. Die Replikationsfähigkeit mehrerer Substitutionsmutanten der Gegenwart von IFN- und - war im Vergleich zum WT stark eingeschränkt. Dies deutete darauf hin, daß IFN-vermittelte Abwehrmechanismen eine Rolle während der positiven Selektion der Lysin-zu-Arginin-Substitutionsmutanten gespielt haben könnten. Die in dieser Arbeit erzielten Resultate zeigten, daß sich die PFV- sowie FFV-Lysinmutanten in ihrem Replikationsverhalten nicht von WT-Viren unterscheiden. Im Kontext einer über Millionen von Jahren andauernden Wirts-Erreger-Koevolution stellt jedoch der durch zelluläre Restriktionsfaktoren vermittelte Selektionsdruck auf das Virus einen wichtigen Aspekt dar. Demnach könnte die Substitution von Lysin gegen Arginin beispielsweise über eine veränderte kovalente Modifikation eine Interaktion mit antiretroviralen Restriktionsfaktoren der Wirtszelle modifiziert oder inhibiert haben, wodurch diese Mutanten im Verlauf der foamyviralen Evolution positiv selektioniert wurden
Foamyviruses (FV) harbour several features which distinguishes them from orthoretroviruses and which they share with the hepadnaviruses. Beside differences in the genomic organization, the protein expression and the replication strategy this referrs to the morphogenesis of viral particles, in which the Gag protein plays the key role. In contrast to orthoretroviruses and like hepadnaviruses, cellular egress of FV capsids depends on the presence of cognate Env protein. In the first part of this work it was tried to identify an Env-interacting motif as well as essential amino acids (aa) involved in the recognition of the glycoprotein in PFV Gag. Therefore a chimeric construct containing parts of the Gag proteins of Mason-Pfizer monkey virus (MPMV) and PFV was constructed. Like PFV Gag, the chimeric Gag proteins showed a perinuclear accumulation, a feature of PFV and MPMV assembly. Additionally, cellular export of the Gag chimerics was PFV Env restricted. This pointed to the integrity and functionality of the PFV Gag N-terminus in the chimeric construct. Nevertheless, chimeric Gag molekules didn´t multimerize to capsids or comparable particle structures. This was probably caused by massive sterical disorders, due to the involvement of heterologous protein domains. Therefore, the Gag chimerics didn´t represent an appropriate system for the functional analysis of the PFV Gag-Env interaction. Another peculiarity of foamyviral Gag proteins is their extremely low lysine content. In contrast to orthoretroviral Gag proteins, the main part of basic aa is represented by arginines. Due to the fact that more than 60 % of the arginine-specifying codons could have evolved out of lysine-specifying codons over a single point mutation, a positive selection of Gag mutants with a lysine-to-arginine substitution in the course of foamyviral evolution is likely. In the second part of this work, functions of arginines in foamyviral Gag proteins during replication were studied by using infectious molecular clones of PFV and FFV. Therefore several arginines were substituted for lysines. Additionally the single lysine in PFV Gag (K396) was mutated to arginine. All PFV as well as FFV mutants were replication-competent. Additionally, the single lysine in PFV Gag was non-essential for replication in immortalized cell culture, whereas replication was strongly inhibited in a primary cell line. One PFV substitution mutant (M141) induced an CPE in transfected 293T-cell culture, an indication of an involvement of this part of Gag in the interaction with the PFV glycoprotein. Upon ten cell-free passages of PFV Gag mutants in cell culture, neither revertants nor pseudorevertants appeared, indicating genetic stability during a short-term cell culture experiment. By application of AZT, an inhibitor of the foamyviral reverse transcription, on producer cells or target cells it was shown that the reverse transcription of the genomic RNA of the PFV Gag lysine mutants occured mainly in the producer cell and that they therefore didnt differ from wild-type (wt) virus with respect to replication strategy. By quantitative real-time PCR it was shown that PFV and FFV mutants incorporate DNA as well as RNA in particles. Like in recent publications, the infectiousness of foamyviral genomic DNA could be demonstrated in this work. By transfecting cells with extracted virion DNA and following supernatant transfer a CPE could be induced in the infected target cells, showing the production of infectious virus. The -aminogroup of lysine functions as a potential ubiquitin acceptor. Like in recent publications, no ubiquitination of the single lysine in PFV wt Gag could be detected. In contrast, four out of five PFV substitution mutants showed ubiquitination of the introduced lysines. Nevertheless, Gag mutants with this covalent modification didn´t have the ability to generate virus like particles (VLPs) or to be pseudotyped by heterologous Env. For FFV wt and mutants, neither Env leader peptide nor Gag ubiquitination could be detected. Differences in components of the ubiquitinination machinery between human cells and feline cells are a probable reason for this. Therefore the analysis of ubiquitiniation of the newly introduced lysines in FFV Gag should be carried out in feline cells as producer cells. Replication of several substitution mutants was strongly inhibited compared to wt virus in the presence of IFN- and -. These results indicated that IFN mediated defense mechanisms could have played a role in the positive selection of the lysine-to-arginine substitution mutants. These results show that the PFV and FFV mutants didn´t differ from wt viruses with respect to their replication strategy. In the context of the long-term host-pathogen coevolution the selection pressure on the virus mediated by cellular restriction factors represents an important aspect dar. The mutation from lysines to arginines implying an altered covalent modification of Gag could have lead to an modification or inhibition of the interaction with antiretroviral restriction factors of the host cell, leading to a positive selection of these mutants during foamyviral evolution

Foamyviren enthalten vier zentrale purinreiche Sequenzen, die Elemente A bis D. Bekannt sind solche auch bei anderen Retroviren, u.a. bei HIV, wo der cPPT (central polypurine tract) für eine effektive Replikation benötigt wird und eine Kopie des 3´PPT darstellt. Bei FV ist nur das Element D sequenzidentisch zum 3´PPT, welcher sich bei allen Retroviren findet und von welchem die Plusstrang-Synthese bei der Bildung der cDNA intiiert wird. Vermutet wurde daher für das Element D, das es einen zweiten Initiationsort für die Plusstrang-Synthese darstellt und analog zum cPPT bei HIV die Replikation zu beschleunigen vermag. Um die Funktion der purinreichen Sequenzen zu verstehen, führten wir Mutationen in die Elemente A bis D ein und untersuchten sie im infektiösen Volllängenklon sowie im Vektorkontext; zusätzlich analysierten wir die viralen Proteine in infizierten Zellen und Viruspartikeln
Foamy viruses contain four central purine-rich sequences, namely element A, B, C and D. Such sequences are also known in other retroviruses, for example in HIV, which harbours a cPPT (central polypurine tract) that is needed for effective replication and is an exact copy of the 3´PPT. In FV only element D is a copy of the 3´PPT, which is essential for reverse transcription as it is the initiation site for plus strand DNA synthesis. Therefore, element D is thought to serve as a second initiation site for plus strand DNA synthesis in order to accelerate viral replication. We mutated the four purine-rich elements and analysed them in vector and infectious virus context to determine their role; furthermore we investigated viral protein production in infected cells and viral particles