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Retroviren: Vom Krankheitserreger zum Therapiehelfer

Viren sind infektiöse Partikel, die nicht zur selbstständigen Vermehrung fähig sind und keinen eigenen Stoffwechsel haben. Darum sind sie auch keine Lebewesen, obwohl sie einzelne Merkmale des Lebendigen aufweisen. Die Familie der Retroviren tritt vor allem mit ihrem berüchtigsten Vertreter in Erscheinung: dem humanen Immundefizienz-Virus (HIV), das unbehandelt früher oder später zu AIDS führt. Doch Retroviren sind für die Forschung nicht nur wegen ihrer Bekämpfung als Erreger von Interesse. Ihre charakteristischen Eigenschaften machen sie zu einem vielversprechenden Werkzeug für Laboralltag und Gentherapie. Seit der ersten Anwendung beim Menschen im Jahr 1990 gab es nahezu 2.000 klinische Studien zur Gentherapie. Bei etwa einem Fünftel der klinischen Studien werden heutzutage Retroviren als Vektoren zum Gentransport genutzt.

Extrazellulär liegen Viren als sogenannte Virionen vor, die zur Verbreitung dienen. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer äußeren Lipidmembran, den für die Infektion nötigen Proteinen, einer Proteinhülle und einer darin eingeschlossenen Nukleinsäure, je nach Viren-Typ DNA oder RNA. Intrazellulär bestehen sie nur noch aus der Nukleinsäure, die die Informationen zur eigenen Replikation und Reproduktion der Virionen enthält. Nur durch die Infektion einer geeigneten Wirtszelle und unter Ausnutzung der dortigen Replikationsmaschinerie können Viren sich fortpflanzen.

HIV-Partikel an einer Zellmembran © Deutsches Krebsforschungszentrum

Die typische Infektion durch Retroviren beginnt mit dem Andocken und der anschließenden Fusion der Virushülle mit der Wirtszellmembran. Eine Besonderheit der Retroviren ist, dass ihre Erbinformation in Form von einzelsträngiger RNA vorliegt. Diese wird nach der Infektion einer Wirtszelle in DNA umgeschrieben. Dies geschieht durch das Enzym reverse Transkriptase. Diesem charakteristischen Schritt, der dem üblichen genetischen Informationsfluss von der DNA zur RNA entgegen verläuft, verdanken die Retroviren auch ihren Namen, der für Reverse Transkriptase Onkoviren steht. Die reverse Transkriptase wurde in den Retroviren erstmals entdeckt und hat sich seitdem zum wichtigen Werkzeug der Molekularbiologie entwickelt.

Die entstandene Virus-DNA wird in den Kern der Wirtszelle transportiert und in deren Genom integriert. In diesem Zustand kann die Virus-DNA als Provirus verbleiben und auch auf Tochterzellen übertragen werden, ohne dass die Viruserkrankung auftritt.

Einen besonderen Fall stellt die Integration der Virus-DNA in Zellen der Keimbahn dar. Man bezeichnet die Retroviren, die so vererbt werden, als endogene Retroviren. Dass dies im Laufe der Evolution häufig geschehen ist, wird aus den acht Prozent retroviralen Genfragmenten im menschlichen Genom ersichtlich (1).

Bei exogenen Retroviren dagegen folgt die Ablesung der viralen Gene und die anschließende Expression viraler Proteine und des RNA-Genoms. Diese werden zusammen in neue Viruspartikel verpackt und über Knospung in ein Stück Wirtszellmembran gehüllt, was zur Freisetzung der neuen Virionen führt.

Viraler Gen-Lieferservice

Retroviren sind darauf spezialisiert, gezielt in bestimmte Zellen einzudringen und ihre Erbinformation ins Wirtsgenom zu integrieren. Diese Eigenschaft nutzen Wissenschaftler für die Gentherapie. Denn die Retroviren können eingesetzt werden, um auch anderes genetisches Material, das in die Viruspartikel verpackt wurde, ins Wirtsgenom einzuschleusen. Diesen Prozess der Genübertragung mittels Viren nennt man Transduktion. Ein Risiko der Gentherapie stellt aber die ungerichtete Integration ins Genom dar, welche auch intakte Wirtsgene in ihrer Funktion beeinträchtigen kann. So können auch inaktive Wachstumsgene reaktiviert werden, was unkontrolliertes Zellwachstum auslöst und zur Tumorbildung führt. In der Vergangenheit kam es deshalb wiederholt zu Leukämie-Erkrankungen als Folge einer Gentherapie mit veränderten Blutstammzellen.

Der erste Einsatz einer Gentherapie beim Menschen erfolgte 1990 zur Therapie einer angeborenen Immunschwäche, ausgelöst durch ein defektes Gen. Eine funktionale Version des Gens wurde dabei mittels Retroviren in Blutzellen der Patientin eingebracht. Nach der Gabe der so veränderten Blutzellen verbesserte sich der Zustand der Patientin. In Deutschland gab es seitdem 17 klinische Studien zu Gentherapie-Anwendungen mit Retroviren (2). Im November 2012 wurde das erste Gentherapeutikum durch die Europäische Kommission zugelassen: „Glybera“ zur Therapie der Lipoproteinlipase-Defizienz (LPLD), einer Fettstoffwechselstörung, basiert allerdings nicht auf Retroviren, sondern auf einem viralen Vektor aus der Familie der Adenovieren, die ebenfalls ihr genetisches Material ins Genom der Wirtszelle integrieren.

HIV - noch immer unbesiegt

Modell eines HIV Virions © Boehringer Ingelheim

Welche Bedrohung Retroviren als Erreger weitverbreiteter Infektionskrankheiten spielen können, wird vor allem durch das HI-Virus deutlich, dessen Infektion unbehandelt früher oder später zur Immunschwächeerkrankung AIDS führt. Das Virus nutzt Immunzellen des Wirts zur Vermehrung, genau gesagt T-Helferzellen, die andere Immunzellen bei der Immunantwort unterstützen. Trotz großer Forschungsanstrengungen gibt es noch immer keine Heilung oder Impfung für HIV-Infektionen. Die hohe genetische Variabilität des HI-Virus macht es sowohl dem Immunsystem als auch den Forschern fast unmöglich, den Erreger im Körper gezielt systematisch anzugreifen. Ursache dafür ist die hohe Fehlerrate, mit der die reverse Transkriptase arbeitet, wodurch sich das Virusgenom und damit auch das Virus ständig verändern.

Wenn auch keine Heilung möglich ist, haben sich doch die Therapiemöglichkeiten für HIV-Infizierte in den letzten Jahren deutlich verbessert. Die heute übliche Hochaktive antiretrovirale Therapie (HAART), eine Kombinations-Therapie mit drei oder mehr antiretroviralen Medikamenten verschiedener Stoffklassen, kann die Virusreplikation stark hemmen. Dadurch können HIV-bedingte Symptome reduziert und das Immunsystem zumindest teilweise wiederhergestellt werden.

Beispiele für Präparate sind VIRAMUNE® und APTIVUS® (Wirkstoffe Nevirapine und Tipranavir) von Boehringer Ingelheim. Nevirapine war der erste zugelassene nicht-nukleosidische Reverse-Transkriptase-Inhibitor und ist heute das weitverbreitetste antiretrovirale Medikament weltweit. Besonders bewährt hat es sich für infizierte Mütter, da es hilft, die Ansteckung des Kindes beim Stillen zu verhindern. Tipranavir ist ein Proteaseinhibitor der zweiten Generation und wird vor allem bei Patienten eingesetzt, die bereits Resistenzen gegen einen oder mehrere andere Proteaseinhibitoren entwickelt haben.

Unschädliches Mitglied der gefährlichen Familie

Eine besondere Gattung von Retroviren stellen die Foamyviren dar, auch Spumaviren genannt. Ihre Infektion löst kein erkennbares Krankheitsbild aus. Sie sind vor allem aufgrund ihrer Molekularbiologie und ihres Replikationszyklus und als virale Vektoren für therapeutische Ansätze für die Wissenschaft von Interesse. Die Forscher der Arbeitsgruppe von Professor Martin Löchelt am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg erforschen Foamy-Viren unter anderem zur Therapie bestimmter humaner Krebsarten. In Zusammenarbeit mit dem Robert Koch-Institut in Berlin wird außerdem der Einsatz von Foamy-Viren zur Immunisierung gegen HIV untersucht. Die Idee ist dabei, HIV-typische Epitope in Foamy-Viren einzubauen, so dass diese im Organismus die Antikörperbildung gegen HIV auslösen und so eine Immunisierung erreichen. So könnte man das Problem umgehen, dass attenuierte, also inaktivierte Viren, wie sie bei anderen Viren-Typen häufig zur Impfung eingesetzt werden, im Fall von HIV nicht sicher für den Einsatz im Menschen sind. Erste Versuche mit derart veränderten Foamyviren als Impfvektoren haben bereits begonnen. Doch bis zum Impfstoff ist es auch hier noch ein weiter Weg.

Quellen:

(1) Lander E, et al.: Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 2001, 409:860-921
(2) Gene therapy clinical trials worldwide“, Stand Januar 2013

Glossar

  • AIDS ist die Abkürzung für Aquired immune deficiency syndrome (erworbenes Immunschwächesyndrom). Es ist der Name für die Endphase einer Erkrankung des Immunsystems, die durch eine HIV-Infektion ausgelöst wird.
  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Expressionsvektor ist eine Genfähre, mit der man ein Gen für ein bestimmtes Protein in eine Wirtszelle (z.B. E. coli, Hefezellen) einschleusen kann. Außerdem ermöglicht der Expressionsvektor die Umsetzung des Gens in das Protein in der Wirtszelle, da er alle nötigen Regulationselemente hierfür enthält.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Die Gentherapie ist der Versuch, eine Krankheit durch das Einschleusen eines Gens in den Körper zu heilen, wobei die somatische Gentherapie an Körperzellen von der Keimbahntherapie an Keimzellen (verboten - führt zu vererbbaren Veränderungen) zu unterscheiden ist.
  • Als Keimbahn bezeichnet man die Zellenfolge, die von der befruchteten Eizelle (Zygote) bis zu den Keimzellen des neuen Individuums führt.
  • Lipide sind Fette und fettähnliche Substanzen.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Replikation ist der biologische Fachbegriff für die Verdoppelung der DNA-Doppelhelix.
  • Retroviren sind Viren, deren Erbmaterial aus RNA besteht. Nach Umschreibung von RNA in DNA bauen sich die Retroviren in das Erbgut der Wirtszelle ein, um sich zu vermehren. Häufigste Gen-Taxis für Gentransfer, da Retroviren auch in sie eingebaute Gene in Zellen einschleusen. Retroviren schleusen sich jedoch nur in sich vermehrende Zellen ein, nicht aber in ruhende Zellen.
  • Die Reverse Transkriptase ist eine Polymerase, die mit RNA als Vorlage die komplementäre DNA synthetisiert. Sie wird in der Gentechnologie zur Herstellung von cDNA aus RNA benutzt. Ursprünglich wurde sie aus Retroviren isoliert.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Die somatischen Gentherapie dient der Kompensation von Gendefekten. Dabei wird die korrekte Form des defekten Gen in Körperzellen eingeschleust.
  • Transduktion hat im biologischen Kontext zwei Bedeutungen: 1) Bei der Signaltransduktion wird ein äußerer Reiz (z.B. Licht) in ein physiologisches Signal (Nervenimpuls) umgewandelt und zum Gehirn weitergeleitet. Zum anderen wird aber auch die Vermittlung eines Signals in eine Zelle (z.B. Hormonwirkung) als Signaltransduktion bezeichnet. 2) In der Genetik ist mit dem Begriff Transduktion die Übertragung von DNA durch Viren von einem Bakterium auf das andere gemeint. Dieser natürlichen Vorgang wird auch in der Gentechnik angewandt.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Ein Vektor ist ein DNA-Vehikel, das sich in einer Zelle autonom replizieren (vervielfältigen) kann und mit dessen Hilfe Fremd-DNA in eine Zelle eingeschleust wird. Vektoren (Plasmid, Phage oder Virus) sind wichtige Werkzeuge der Gentechnik zum Klonieren rekombinanter DNA.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • HIV ist die Abkürzung für Humaner Immundefizienz Virus, dem Auslöser von AIDS. Dabei handelt es sich um einen Retrovirus, dessen genetisches Material aus RNA besteht.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Inhibitoren sind Stoffe, die chemische oder biologische Reaktionen verlangsamen oder verhindern.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Leukämie ist eine bösartige Erkrankung (Krebs) des blutbildenden Systems. Durch die vermehrte Bildung entarteter weißer Blutkörperchen und ihrer Vorstufen wird die Blutbildung im Knochenmark gestört. Andere Blutbestandteile werden verdrängt und es kommt dadurch zu Anämie (Blutarmut), Infektionen und Blutungen, die letztlich zum Tod führen, wenn die Leukämie nicht behandelt wird.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Ein Epitop ist der Bereich eines Antigenes, der von einem Antikörper erkannt wird. Antigene besitzen meist mehrere unterschiedliche Epitope auf ihrer Oberfläche. Ein Antikörper bindet selektiv an das Epitop, für das er spezifisch ist.
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