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Virus Regulation
© 2009 by Ruth Brack-WernerMolekulare Virologie
Virale Expressionsstrategien
Ziel:
Abruf der im Genom gespeicherten Information
zur richtigen Zeit und in der richtigen Menge
Virus Regulation
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Genomgrössen von verschiedenen sequenzierten Organismen
http://www.genomenewsnetwork.org/articles/02_01/Sizing_genomes.shtml
Amoeba dubia670 billion (= 109) bp
Plasmodium falciparum0.023 billion bp
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Genomgroessen von verschiedenen Viren: DNA Viren
> 400 nm ø.
DS DNA Genom1.2 x 106 BP911 Gene
DNA Virus:MimivirusWirt: Amoeba
ES (-) DNA Genom1.8 - 2.3 x 103 Basen 12-26 nm ø;.
DNA Virus:CircovirusWirte: Schwein, Vögel
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Genomgroessen von verschiedenen Viren: RNA Viren
80-160 nm ø; Behüllt.
SS (+) RNA Genom16 - 21 x 103 Basen
CoronavirusWirt: Säugetiere
ES (+)RNA Genom7.2 - 8.4 x 103 Basen
28-30nm ø; Unbehüllt.
PicornavirusWirt:Wirbeltiere, Insekten
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Baltimore Klassifikation zur Einteilung der Viren.
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DNA Viren der Wirbeltiere: Baltimore Klassen I-II
From Fig. 1.10. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
Nucleic AcidCapsid Symmetry
Naked or enveloped
Genome architecture
Baltimore class
Family name
Virion polymeraseVirion ø(nm)
Genome size(kbp)
Classification Criteria
Properties
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RNA Viren der Wirbeltiere: Baltimore Klassen III-V
From Fig. 1.10. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
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Retroviren: Baltimore Klasse VIBeispiel HIV
Nucleic Acid RNASymmetry of capsid ? conical
morphologyNaked or enveloped envelopedGenome architecture (+) SS
Classificationcriteria
Baltimore class VI
Family name RetroVirion polymerase YesVirion diameter (nm) 145 ± 25
Properties
Genome size (kbp) ~10
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Anforderungen an Informationsspeicherung und -Abruf bei Viren
Maximale Ausnutzung der Speicherkapazität des Genoms;
Zeitliche Koordination der Synthese viraler Bestandteile;
Behauptung in der Konkurrenz um zelluläre Ressourcen;
Erhaltung der Virusfamilie: Vermehrung; Erhaltung auch unter ungünstigen Bedingungen;
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Maximale Ausnutzung der Speicherkapazität des Genoms
Beispiel HIV: 1 Gen ergibt 15 Proteine
vif
http://www.cat.cc.md.us/courses/bio141/lecguide/unit2/viruses/hivgenes.html
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Maximale Ausnutzung der Speicherkapazität des Genoms
Beispiel HIV: Überlappende Leseraster
Vif TatRev
VprVpu
NefGag
Pol env
LTR LTR
Env
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Der Preis: Veränderung eines Nukleotids kann sich auf mehrere Proteine auswirken
G T T T C A G A C C C A C C T C C T A A T C C C G A G G G G A C C C G A C A G G C C C G A A G G A AEnv (gp 41) F Q T H L L I P R G P D R P E GRev Exon 2 D P P P N P E G T R Q A R R NTat Exon 2 P T S
Substitution: C -> T
G T T T C A G A C C C A C C T C C C A A T C C C G A G G G G A C C C G A C A G G C C C G A A G G A AEnv (gp 41) F Q T H L P I P R G P D R P E GRev Exon 2 D P P P N P E G T R Q A R R NTat Exon 2 P T S Q S R G D P T G P K E
.... C T C C C A A T C
P I
Auswirkungen:
Env (gp 41) CCA -> CAA P -> Q
Rev Exon 2 CCC -> CCA kein Effekt
Tat Exon 2 CAA -> AAA Q -> K
Tat
RevEnv
LP N
S Q
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Strategien zum Abruf und zur Umsetzungder im Genom gespeicherten Information
Alternatives Splicing von einem Primär-Transkript
RNA-Prozessierung
Beispiele: AdenoviridaeOrthomyxoviridaePapillomaviridaePolyomaviridaeRetroviridae
From Fig. 3.10. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
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Voraussetzung: mRNAs müssen in den Zellkern
Balt. Genom1 Familien RNA Klasse (Beispiele) Syntheseort2
I dsDNA Herpesviridae KAdenoviridae KPapovaviridae KPoxviridae Z
II esDNA Parvovoridae K
III dsRNA Reoviridae Z(segmentiert)
IV (+) esRNA Picornaviridae ZCoronaviridae ZFlaviviridae ZTogaviridae Z
V (-)ssRNA Orthomyxov iridae K(segmentiert)unsegm. Paramyxovi ridae Z
Rhabdoviridae Z
VI RNA ->DNA Retroviridae K
VII DNA3->RNA Hepadnaviridae K
1 Ds: doppelsträngig; es: einzelsträngig.2 Z = Zytoplasma; K = Kern3 DNA-Viren mit RNA als Zwischenstufe
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Strategien zum Abruf und zur Umsetzungder im Genom gespeicherten Information
Überlappende Transkriptionseinheiten: Bildung von verschiedenen Primär-Transkripten
Beispiele: AdenoviridaeHepadnaviridae
RNA-Synthese
From Fig. 3.10. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
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Strategien zum Abruf und zur Umsetzungder im Genom gespeicherten Information
Editieren der RNA Sequenz: Gezielte Veränderung des Ribonukleotids während oder nach Synthese
Beispiele: Paramyxoviridae: Ko-transkriptionellFiloviridae: Ko-transkriptionellHepatitis delta Satelliten virus: Post-transkriptionell
RNA-Prozessierung
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Strategien zum Abruf und zur Umsetzungder im Genom gespeicherten Information
Leaky Scanning: Start der Translation an verschiedenen Start-Kodons möglich
Beispiele: OrthomyxoviridaeParamyxoviridaePolyomaviridaeRetroviridae
Proteinsynthese
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Strategien zum Abruf und zur Umsetzungder im Genom gespeicherten Information
Wiederbeginn der Translation an einem strom-abwärts gelegenen Start-Kodon: Voraussetzung: Strom-Aufwärts gelegenes Start Codon.
Beispiele: OrthomyxoviridaeHerpesviridae
Proteinsynthese
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Strategien zum Abruf und zur Umsetzungder im Genom gespeicherten Information
IRES (internal ribosmal entry site): Bindung von Ribosomen an interne Sequenzen des Transkripts
Beispiele: FlaviviridaePicornaviridae
Proteinsynthese
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Strategien zum Abruf und zur Umsetzungder im Genom gespeicherten Information
Überlesen von Translations-Stop-Signale
Beispiele: AlphavirusesRetroviridae
Proteinsynthese
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Translationsstrategien von Viren
Proteinsynthese von poly-cistronischen mRNAs
UTR: Untranslated region
ORF: Open reading frame
Fig. 11.1. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
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Regulation der Initiation der Translation
Translationsinitation von zellulären mRNAs:Vorrangiger Mechanismus
• Interaktion der 40S Untereinheit der Ribosomen mit verschiedenen Initiationsfaktoren und mit Met-tRNAi;
• Interaktion des Prä-Initiationskomplexes mit der mRNA;
• “Scanning” der mRNA bis zum Start-Codon (oft das erste ATG)
• Freisetzung der Initiationsfaktoren und Zusammenbau des vollständigen Ribosoms
• Proteinsynthese
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Regulation der Initiation der Translation
Das RNA “Cap”: Essentiell für die Translation von vielen mRNAs in eukaryotischen Zellen
http://cats.med.uvm.edu/cats_teachingmod/microbiology/courses/gene_regulation/pro_euk/2.6.grg.cap.html
5’Ende der mRNA
Virus Regulation
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Regulation der Initiation der Translation:
12
3
4
5
Fig. 11.3A. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
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Regulation der Initiation der Translation
“Leaky Scanning”: Überlesen des ersten Start-Kodons beim Scanning
Viral Source Identifier Sequenceflanking firstAUG codon
Proteins
SV40 Late 19S mRNA UCCaugG VP2 u. VP3capsid proteins
Hepatitis BVirus
2.1 kB mRNA GCCaugC Middle andsmall surface
proteinsHIV-1 Spliced mRNA CCUaugG Rev and Nef
regulatoryproteins
Cellular Glucocorticoidreceptor gene
human CUGaugG Long and shorttrans-activators
Optimalsequence
GCCR*CCaugG
Beispiele:
Kozak M., 2002. Gene 299, 1-34*R = Purine (A oder G)
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Regulation der Initiation der Translation
Wiederbeginn der Translation durch erneute Gewinnung von met-tRNAi durch die an RNA gebundenen 40 S Untereinheit.
Voraussetzungen: Stromaufwärts-gelegener offene Leseraster;
CMV gp48
StartStop
Influenza B VirusRNA Segment 7
Fig. 11.12. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
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Alternative Strategien zur Translationsinitiation
IRES: Internal Ribosomal Entry Site
Initiation der Translation ist abhängig von einer RNA-Sekundärstruktur, nicht von der CAP-Struktur.
Virus Regulation
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Alternative Strategien zur Translationsinitiation:IRES
Type I: Poliovirus Type II: Encephalo-myocarditis virus
From Fig. 11.5. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
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Alternative Strategien zur Translationsinitiation:IRES
Bei Poliovirus:Spaltung von eIF4G durch virale protease 2Apro:
=> Hemmung der zellulären mRNA Synthese;Stimulation der Translation an der IRES
Cap-abhängige Initiation
IRES-gesteuerte Initiation
Fig. 11.3C. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
Komar, A. A. et al. J. Biol. Chem. 2005;280:23425-23428
Schematic representation of the cap-dependent ribosome scanning (left panel) and internal initiation (right panel) pathways for the formation of 80 S initiation complexes
ITAF: IRES trans-acting factors
Virus Regulation
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Alternative Strategien zur Translationsinitiation: IRES
Hepatitis C Virus:Typ III IRES
Direkte Bindung von 40S Untereinheit mit IRES
Konformationsänderung der 40S Untereinheit =>Positionierung des ATG;Bindung von Met-tRNAi-eiF2-GTP Komplex
TranslationsstartFig. 11.5 and 11.3A,C. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
Virus Regulation
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Verwendung von IRES fuer die Molekularbiologie: Ko-expression von Selektions-Bzw. Markergenen.
Box 11.2. “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
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Leserasterverschub
Problem: Gag und Protease bzw. Gag und Protease und Pol werden von unterschiedlichen Lesrastern kodiert.
Lösung: kontrolliertes Rutschen der Ribosomen in ein anderes Leseraster.
http://www-micro.msb.le.ac.uk/3035/Retroviruses.html
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Programmierter -1 Leserasterverschub
Gag-ProteinLeserasterverschub:Gag-Protease-Pol
Gag;1. Leserasterverschub:Gag-Protease2. Leserasterverschub:Gag-Protease-Pol
http://www-micro.msb.le.ac.uk/3035/Retroviruses.html
EWAN P. PLANT et al. RNA 2003; 9: 168-174
FIGURE 1. Overview of programmed -1 ribosomal frameshifting
Ribosom pausiert während der Elongation
Verlagerung des Ribosoms um eine Position in 5’ Richung
Verschiebung des Leserasters; Auflösen des Pseudoknotens
Rutsch-Stelle:X XXY YYZG GGA AAC
XXX: 3 identische Nukleotide
YYY: 3 identische NukleotideZ: A,C oder U; nicht G
Linker Region
Pseudoknoten
Leserasterverschub bei dem SARS-Coronavirus.
Ramos, FD et al., 2004, BiochemSoc Transact.32, 1081-1083
S: Spike; E: Envelope; N: Nucleocapsid; M: membrane protein; ORF, X: weitere Leseraster.
RNA Pseudoknoten Strukturen in verschiedenen Coronaviren.
Ramos, FD et al., 2004, BiochemSoc Transact.32, 1081-1083
Modell für den Beitrag von Pseudoknoten zum Leserasterverschub.
EWAN P. PLANT et al. RNA 2003; 9: 168-174
Virus Regulation
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Überlesen vom Terminations-Kodon: Murines Leukämie Virus
Gag Pro Pol
Pseudoknotenhttp://www-micro.msb.le.ac.uk/3035/Retroviruses.html
Staple DW and Butcher SE 2005.PLoS 3, 956-959. Fig. 11.13 “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
Virus Regulation
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Die Wunderwaffe der Viren
RegulationsfaktorenAufgaben:• Aktivierung/Hemmung der Expression von viralen Proteinen;
• “Priming” der Zelle für die Virusreplikation;•• Zeitliche Koordination der Virusreplikation
Gemeinsame Eigenschaften
• Multifunktionell;
• Interagieren mit vielen verschiedenen Proteinen
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Virale Transkriptionsaktivatoren
Beispiele von viralen Transkriptions-Regulatoren, die keine Sequenz-spezifische DNA Bindung zeigen.
Faktor Virus Interaktion mitzellulären DNA-bindendenProteinen
Effekt
E1A(289;243 AS)
Adenovirus TFIID Aktivierung/Repression
Tax HTLV CREBVP16 Herpes
simplexvirus
OCT-1 Aktivierung
EBNA2 EBV RBP-J Aktivierung
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Virale Transkriptionsaktivatoren
Beispiele von viralen Transkriptions-Regulatoren, die an spezifische Nukleinsäure Signale binden.
Faktor Virus Wirkungdurch direkteBindung anSignale inNukleinsäuren
Effekt
ICP4 Herpesvirus DNA Aktivierung/RepressionT-Antigen Polyom avirus DNA Aktivierung (spät
Gene); Repression(frühe Gene)
Tat HIV RNA Aktivierung
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Einige Grundlagen zur Transkription:Der Promoter
Aus “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
Virus Regulation
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Einige Grundlagen zur Transkription:Beipiele für virale Promotoren
Fig. 8.4 “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
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Beispiel eines wichtigen zellulären Transkriptionsfaktors: NFkappaB
Fig. 8.6A aus “Principles of Virology”;SJ. Flint, L.W. Enquist, V.R. Racaniello, A.M. Skalka;ASM Press; 2004; 2nd Edition
Virus Regulation
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Beispiel eines wichtigen zellulären Transkriptionsfaktors
Beispiele für virale Promotoren die durch NF-kappaB aktiviert werden:
HTLV-IHIV-1SV40
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Beispiel eines viralen Transkriptionsregulators:Polyoma T-Antigen
Aus Fields Virology, D.M.Knipe, P.M. Howley, Lippincott Williams & Wilkins.2001, p. 2156.
Virus Regulation
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Die Kontrollregion im SV40 Genom
Aus Fields Virology, D.M.Knipe, P.M. Howley, Lippincott Williams & Wilkins.2001, p. 2146.
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Beispiel eines viralen Transkriptionsregulators:HSV VP16
Viru
s par
ticle
:http
://w
ww
.stdg
en.la
nl.g
ov/s
tdge
n/ba
cter
ia/h
hv1/
herp
es.h
tml
α-genesImmediate early
β-genesearly
γ-geneslate
-
+
Latency
VP16
500 - 1000 molecules
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VP16 funktioniert als Komplex mit zellularen Faktoren
POU domains
Oct-1: Octamer 1 transcription factor
HCF-1: human factor C1
Acidic activation domain
Wysocka J and Herr W. 2003.TIBS 28, 294-304.
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VP16 Domänen
Core-Domäne:•Essentiell für die Bildung von VIC (VP16-induced complex);•Interagiert mit Oct-1 und HCF-1;•Nur schwache DNA Bindung alleine; •Sequenz konserviert zwischen verschiedenen α-Herpesviren;
AD:Transkriptions-Aktivierungsdomäne
Wysocka J and Herr W. 2003.TIBS 28, 294-304.
Virus Regulation
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VIC: Warum so kompliziert?
Mögliche Erklärung:
Oct-1 und HCF-1 sind wichtig für die Zellproliferation;
Durch die Interaktion mit diesen beiden Faktoren
“tastet” VP16 die Bereitschaft der Zelle für die
Virusreplikation ab (lytische Phase).