Strukturelle und funktionelle Charakterisierung der Interaktion des humanen Cytomegalievirus IE1-Proteins mit zellulären Histonen

Abstract

Das humane Cytomegalievirus (hCMV) ist ein weltweit verbreitetes, medizinisch hoch relevantes Herpesvirus, das nach Primärinfektion lebenslang im menschlichen Wirtsorganismus persistiert. Das Virus ist dafür bekannt zum Teil schwerwiegende Entwicklungsdefekte bei ungeborenen und neugeborenen Kindern zu verursachen. Zudem stellt es besonders für immunsupprimierte Patienten ein großes Risiko dar, da die Primärinfektion oder Virus-Reaktivierung aus dem latenten Infektionszustand bei eingeschränkter Immunkontrolle zu lebensbedrohlichen Krankheiten führen kann. Jedoch sind die molekularen Grundlagen, welche die lebenslange hCMV-Infektion ermöglichen bisher weitgehend ungeklärt. Im Gegensatz zu den alpha- und gamma-Herpesviren ist für hCMV (beta-Herpesvirus) beispielsweise nicht bekannt, wie die Persistenz viraler Genome im Wirtsorganismus gewährleistet wird. In der vorliegenden Arbeit konnte nun erstmals gezeigt werden, dass das hCMV-kodierte, 72 kDa schwere immediate-early 1-Protein (IE1) an der Erhaltung viraler Genome in infizierten humanen Zellen beteiligt ist. Bis dato wurde die Funktion dieses nukleär lokalisierten Proteins vor allem in der lytischen Phase der hCMV-Infektion untersucht, bei der IE1 als promiskuitiver Regulator der viralen und zellulären Transkription sowie als Antagonist angeborener Abwehrmechanismen der Wirtszelle gilt. Seit langem ist zudem bekannt, dass das virale Protein während der Mitose mit zellulärem Chromatin assoziiert ist, wobei der Mechanismus dieser Interaktion bisher nicht untersucht wurde. Im Rahmen dieser Arbeit konnte nun gezeigt werden, dass IE1 mit zellulären Chromosomen assoziiert indem es, unabhängig von Nukleinsäuren, direkt an core-Histone (H2A, H2B, H3 und H4) bindet. Dabei besitzt das virale Protein zwei unabhängige Histon-bindende Bereiche, mit unterschiedlichen Spezifitäten für H2A/H2B und H3/H4. Der präferentiell H3/H4-bindende Bereich setzt sich aus drei sauren Domänen im carboxy-terminalen Abschnitt des IE1-Proteins zusammen, die zudem für die Transaktivierung viraler Gene von Bedeutung sind. Die spezifische Interaktion mit H2A/H2B-Dimeren erfolgt hingegen über ein konserviertes, zehn Aminosäuren umfassendes Motiv innerhalb der chromatin-tethering domain (CTD), die den äußersten Carboxy-Terminus des viralen Proteins bildet. Ergebnisse aus biochemischen Bindungsstudien und Computer-gestützten Strukturberechnungen ergaben, dass die IE1-CTD eine beta-Haarnadelstruktur annimmt, die in eine saure Tasche bindet, welche durch das H2A/H2B-Dimer ausgebildet wird und auf der Nukleosomen-Oberfläche exponiert ist. Daneben stellte sich heraus, dass die Bindung der CTD an H2A/H2B-Dimere für die IE1-Nukleosom-Interaktion und IE1-Chromatin-Assoziation notwendig und ausreichend ist. IE1 bindet in einer Weise in die nukleosomale saure Tasche, die sehr stark der Interaktion zwischen dem Latenz-assoziierten nukleären Antigen (LANA) des Kaposi-Sarkom assoziierten Herpesvirus (KSHV) mit der sauren Tasche ähnelt, sodass die CTDs dieser beiden viralen Proteine folglich um die Bindung an Nukleosomen und zelluläres Chromatin konkurrieren. Neben den Analogien in der Nukleosom-Interaktion zwischen LANA und IE1, deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass diese beiden Proteine ähnliche Funktionen während der persistierenden Infektion der entsprechenden Viren übernehmen. So konnte erstmals gezeigt werden, dass virale Genome in hCMV-infizierten humanen Zellen mit den Chromosomen der Wirtszelle assoziieren, wobei IE1 und dessen CTD zu dieser Assoziation beitragen. Da IE1 nicht nur mit dem zellulären sondern auch mit dem viralen Genom in Wechselwirkung tritt, fungiert IE1 vermutlich – analog zu LANA - als Adaptor-Protein, welches die Anheftung viraler Episome an die Chromosomen sich teilender Zellen gewährleistet. Zudem hat die IE1-CTD positiven Einfluss auf die Erhaltung viraler Genome in latent bzw. latenzähnlich infizierten hämatopoetischen Stammzellen und myeloiden Zellen, während die CTD-vermittelte IE1-Nukleosom-Interaktion für die lytische hCMV-Infektion irrelevant ist. Diese Arbeit beschreibt also erstmals im molekularen Detail, wie das virale IE1-Protein mit zellulärem Chromatin interagiert und deutet zudem auf eine unerwartete Rolle dieses Proteins bei der Sicherstellung der lebenslangen Genompersistenz des hCMV im menschlichen Organismus hin.