HCV im Detail - Molekularbiologie und viraler Replikationszyklus

1989 glückte Michael Houghton und Kollegen die Isolierung und Charakterisierung des Hepatitis C Virus aus einer Plasmaprobe eines künstlich mit Non-A-non-B-Hepatitis

infizierten Schimpansen [29][30].

Die Sequenzierung des Virus ergab ein 9600 Nukleotid langes Genom bestehend aus einzelsträngiger RNA in Plus-Strang Orientierung [31]. Die Genom-Sequenz des, zur Familie der Flaviviridae gehörenden, 50 nm großen Hepatitis C Virus wird charakterisiert durch einen offenen Leserahmen (open reading frame, ORF), welcher für ein Polyprotein von ca. 3000 Aminosäuren kodiert [32][33]. Dieses Polyprotein wird posttranslational sowohl von zellulären, als auch von viralen Proteasen in 10 funktionsfähige Virusproteine gespalten [34].

Umgeben wird dieser kodierende Leserahmen von einer 5`- und einer 3`- nicht-translatierten-Region (NTR). Diese nicht-translatierten-Regionen repräsentieren ein entscheidendes Erkennungsmerkmal für die Translation und Replikation des Virusgenoms. Die interne Ribosomeneintrittsstelle (IRES) ist im 5`-NTR lokalisiert, besteht aus vier Domänen und ist zuständig für eine Cap-unabhängige Translation der Proteine. Die 3`-NTR setzt sich zusammen aus drei verschiedenen Elementen und koordiniert die HCV-RNA-Replikation [32]. Wie Abbildung 2 zeigt können die kodierten Virusproteine in Strukturproteine und Nicht-Strukturproteine (NS) unterschieden werden. Zelluläre Signalpeptidasen spalten das Polyprotein in die Strukturproteine E1, E2 und Core (C) [35].

Diese Proteine regulieren die Viruspartikelherstellung. Virale Proteasen koordinieren die Spaltung der Nicht-Strukturproteine NS2, NS3, NS4A, NS4B, NS5A und NS5B. NS3-NS5B bilden einen sogenannten Replikasekomplex und induzieren die Replikation der HCV-RNA in der Wirtszelle [35][36]. Das Transmembranprotein NS2 und der aminoterminale Teil von NS3 bilden einen viralen Proteasekomplex. Diese NS2/3-Autoprotease koordiniert die Spaltung zwischen beiden Proteinen und ist somit, als eine von zwei viralen Proteasen, essentiell für die korrekte virale Proteinmodifizierung [37]. Zusätzlich leistet NS2 einen Beitrag zur Virusbildung und -freisetzung, jedoch hat es, im Gegensatz zu allen anderen Nicht-Strukturproteinen, keinen Einfluss auf die Replikation der RNA. Sobald sich NS3 abspaltet, fungiert es wiederum in Kombination mit NS4 als zweiter viraler Proteasekomplex.

Diese Interaktion ist wichtig, denn sie vermittelt alle folgenden viralen Spaltungen [37][38].

Mit Hilfe von NS4A wird NS3 am endoplasmatischen Retikulum (ER) verankert und korrekt gefaltet [39][40]. Aufgrund seiner Multifunktionalität besitzt NS3 zusätzlich die Aufgabe einer Helikase, sodass es RNA-Basenpaarungen auflösen kann [41]. Das integrale

5 Der HCV-Lebenszyklus wird in drei Abschnitte eingeteilt, den Viruseintritt, die Translation/

Replikation sowie der Zusammenbau/ die Freisetzung des Viruspartikels (Abbildung 3). Für den Eintritt in die Wirtszelle benötigt das Virus eine Reihe von Wirtsproteinen. Hierzu zählen der Scavenger Rezeptor Typ B Klasse I (SR-BI) [54], das Tetraspanin Cluster of Differentiation 81 (CD81) [55] sowie die Tight junction-Proteine Occludin (OCLN) und Claudin-1 (CLDN-1) [56][57]. Tight junctions sind dichte Proteinbänder, welche die Zellzwischenräume aneinandergrenzender Zellen abschließen [58]. An der Wirtsoberfläche des Hepatozyten stellt das Virus den Erstkontakt zu diesem zunächst über unspezifische Rezeptoren, wie den LDL-Rezeptor (low density lipoprotein receptor), her [59][60]. Dies fördert den Zelleintritt und vereinfacht die Bindung an die notwendigen HCV-Rezeptoren CD81, SR-BI, OCLN und CLDN-1 [57][61][62]. Die Einzelheiten der Interaktionen zwischen HCV und den Rezeptoren sind noch nicht vollständig geklärt, jedoch ist bekannt, dass eine Infektion nur dann erfolgen kann, wenn alle vier HCV-Rezeptoren vorhanden sind [56]. Das virale Hüllprotein E2 bindet zunächst an SR-BI und an CD81, um danach durch Occludin und Claudin-1 über rezeptor-vermittelte Endozytose in die Wirtszelle aufgenommen zu werden [57][63]. Die Ansäuerung des Endosoms über eine ATP-abhängige H+-Ionenpumpe bewirkt eine pH-Wert-Veränderung, sodass in Folge die Virusmembran mit der Membran des Endosoms verschmelzen kann und das HCV-Genom ins Zytoplasma eingeschleust werden kann. Dieser Schritt gewährleistet, dass die Fusion erst im Inneren der Wirtszelle stattfindet [64][65]. Die Translation der HCV-RNA erfolgt am rauen endoplasmatischen Retikulum (rER) mit Hilfe der IRES, um dann mit den Untereinheiten der Ribosomen zu interagieren [66]. Aus dem entstandenen Polyprotein werden die einzelnen viralen Proteine gespalten, welche wiederum den Replikationskomplex bilden, um die virale RNA vervielfältigen zu können [67]. Einstülpungen des rER´s bilden das „membranous web“. Es gewährleistet als eigenes zelluläres Kompartiment einen geschützten Ort für die an der Amplifikation der viralen RNA beteiligten Virusproteine [68]. Im Gegensatz zu den vorherigen Abschnitten des viralen Replikationszyklus ist der letzte Schritt, welcher Verpackung und anschließende sekretorische Ausschleusung des neu synthetisierten Viruspartikels aus der Zelle darstellt, wenig erforscht. Man weiß mittlerweile, dass die Herstellung und Freilassung auf einer Abhängigkeit zwischen Lipidtröpfchen, sogenannten lipid droplets (LD) und dem viralen Core-Protein beruht [69]. Das Core Protein, welches in enger räumlicher Nähe zu der LD-Membran steht, besitzt die Fähigkeit, die viralen Nicht-Strukturproteine als Teil des Replikationskomplexes zu nutzen, um die noch unfertigen Viruspartikel mit der produzierten HCV-RNA auszustatten [70]. Durch eine Ausstülpung in das rER-Lumen erhält das Partikel

6 eine Hülle. In diese werden die Hüllproteine E1 und E2 eingefügt. Die Lipoproteinsynthese sowie verschiedene Apolipoproteine sind unentbehrlich und stark verknüpft mit der Reifung und Freilassung desViruspartikels [71][72].

Abbildung 3: Schematische Darstellung des HCV Lebenszyklus

Receptor binding and endocytosis: Das extrazelluläre Viruspartikel bindet an die Oberfläche der Wirtszelle mit Hilfe der vier essentiellen Rezeptoren SR-BI, CD81, Claudin-1 und Occludin. Über Clathrin-vermittelte Endozytose wird das Virus in die Zelle aufgenommen. Fusion and uncoating: Die Virusmembran verschmilzt mit der Membran des Endosoms, sodass das Kapsid mit dem Virusgenom ins Zytoplasma eingeschleust werden kann. Translation and polyprotein processing: Im rauen endoplasmatischen Retikulum startet die Translation.

Die RNA-Replikation folgt darauf im sogenannten „membranous web“. Virion assembly/transport and release:

Auf den Zusammenbau (assembly) folgt die Ausschleusung (release) der neu entstandenen viralen Partikel (mit freundlicher Genehmigung des Springer Nature Verlages [73]).