HCV –Molekularbiologie

Das Hepatitis-C-Virus wird der Familie der Flaviviridae zugeordnet und ist innerhalb dieser das einzige Mitglied im Genus Hepacivirus [6]. Die HCV Isolate werden in sieben Genotypen eingeteilt (1-7), bei denen wiederum verschiedene Subtypen unterschieden werden (a,b,c usw.) [49-50]. Weltweit herrschen verschiedene Prädominanzen der Genotypen vor (zum Beispiel Genotyp 1 in den USA und Europa). Die Divergenz in ihrer Nukleotidsequenz beträgt bei den Genotypen ca. 30% und bei den Subtypen ungefähr 20% [51-52]. Die fehlende Korrekturlese-Aktivität der RNA-abhängigen RNA-Polymerase führt zu den genannten Unterschieden und ist letztlich der Grund dafür, dass ständig neue Virus-Mutanten entstehen können. Die zahlreich entstehenden Quasispezies, das heißt die gleichzeitige Existenz mehrerer Varianten des ursprünglichen Virus‘ in demselben Wirtsorganismus, ermöglichen es dem Virus langfristig sowohl der humoralen als auch der zellulären Immunantwort des Wirtsorganismus‘ zu entgehen.

Das HCV-Genom, bestehend aus einer ca. 9600 Nukleotide langen einzelsträngigen RNA positiver Polarität, kodiert für ein sich aus etwa 3000 Aminosäuren zusammensetzendes Polyprotein. Es wird von einem Kapsid (engl. core) umgeben, welches aus mehreren Core-Proteinen aufgebaut ist. Wie in Abbildung 3 dargestellt, kodiert das Genom am 5‘-Ende für eine nicht-translatierte-Region (5‘-NTR), welche zugleich eine interne Ribosomen Bindestelle (IRES) beinhaltet, gefolgt von einem offenen Leserahmen (ORF), der für die Struktur- ebenso wie die Nichtstrukturproteine kodiert, und eine NTR am 3‘-Ende (3‘-NTR). Auf die Spaltung

des Polyproteins hin entstehen die Strukturproteine, zu denen das Kapsid und die beiden Hüllproteine E1 und E2 gezählt werden. Diese bilden in ihrer Gesamtheit das Viruspartikel.

Das RNA-Genom wird schließlich in neue Viruspartikel verpackt. Außerdem entstehen die Nichtstrukturproteine (NS). Dazu zählen die Protease NS2 sowie die zum Replikationskomplex gehörenden NS3, NS4A/B und NS5A/B. Dabei spalten zelluläre Signalpeptidasen die Hüllglykoproteine und das p7-Protein sowie zusätzliche Signalpeptidpeptidasen das Core-Protein. Virale Proteasen (NS2-4A) hingegen spalten die Nichtstrukturproteine.

Die Protease NS3 und ihr für die Bindung an das endoplasmatische Retikulum (ER) wichtiger Kofaktor, NS4A, sind für die Genomreplikation essentiell. Das NS4B-Protein nimmt eine führende Rolle bei der Induktion der Replikation am Membran-assoziierterten Replikationskomplex („mebranous web“) ein [53]. Für die Assemblierung und/oder Freisetzung der HCV-Partikel scheinen NS5A und NS2 benötigt zu werden. Entscheidend für die Replikation ist darüber hinaus NS5B, welches als RNA-Polymerase fungiert. Das Protein p7 ist zwischen den Struktur- und den Nichtstruktur-Proteinen lokalisiert und scheint als Ionenkanal zu agieren, der bei der Partikel-Assemblierung und -Freisetzung eine wichtige Rolle spielt [54].Eine genauere Funktionsweise des Ionenkanals sowie der NS2- und NS5A-Proteine konnte allerdings noch nicht beschrieben werden.

Abbildung 3: Organisation und Prozessierung des HCV-Genoms. Das Genom wird sowohl am 5‘- als auch am 3‘-Ende von einer NTR flankiert. Dazwischen befindet sich der für die Struktur (C, E1, E2)- und die Nichtstruktur (N2-NS5B)-Proteine kodierende offene Leserahmen sowie der Ionenkanal p7. Nach der Translation und Prozessierung entstehen die Strukturproteine, die das Viruspartikel bilden und die Nichtstrukturproteine NS3-NS5B, die den Replikationskomplex bilden. Ein weiteres Nichtstrukturprotein, NS2, fungiert als Protease. (adaptiert nach Prof.T.Pietschmann, unveröffentlicht)

Der Hepatitis-C-Virus-Zelleintritt ist ein mehrschrittiger Prozess, welcher von der Interaktion der viralen Oberflächenglykoproteine E1 und E2 und multiplen Wirtszellfaktoren abhängt (vgl. Abbildung 4A). Hierbei interagiert das Virus zunächst mit sogenannten Anheftungsfaktoren, zu denen verschiedene Glykosaminoglykane und der Lipoproteinrezeptor niedriger Dichte (LDL-R) gezählt werden [55-57]. So sind der Scavenger Rezeptor Klasse B Typ1 (SR-B1) und das Tetraspanin CD81 in der frühen Phase des Zelleintritts unentbehrlich [58-59]. Bevor das Virus mittels Clathrin-abhängiger Endozytose schließlich in die Zelle aufgenommen wird [60], spielen die „tight-junction“-Proteine Claudin-1 (CLDN1) und Occludin (OCLN1) eine entscheidende Rolle [61-62]. Es konnte festgestellt werden, dass der Eintritt in die Zelle nur stattfindet, wenn alle vier Faktoren (SR-B1, CD81, CLDN1, OCLN1) anwesend sind [62].

Nach der Freisetzung der viralen RNA ins Zytoplasma, erfolgt die Replikation des genetischen Materials (vgl. Abbildung 4B). Dies geschieht an Membran-assoziierten

Replikationskomplexen („membranous webs“), die aus replizierender RNA, viralen Proteinen (NS3-NS5B) und zellulären Membrankomponenten bestehen [53, 63]. Sie befinden sich am rauen endoplasmatischen Retikulum (rER), wo die RNA-Translation initial von der HCV-IRES gesteuert wird. Vermutlich wird die Formierung der Viruspartikel von einer Interaktion des Core-Proteins mit zusätzlichen viralen Proteinen und genomischer RNA induziert [64-65]. Es wird darüber hinaus angenommen, dass die Knospung des Virions in das ER-Lumen hinein stattfindet [66], wo es auch seine Hülle mit den eingelagerten Glykoproteinen E1 und E2 erhält. Da allerdings intrazelluläre Viruspartikel eine andere Dichte aufweisen als extrazelluläre Partikel, wird vermutet, dass die HCV-Partikel während des Zellaustritts einen Reifeprozess durchlaufen, bei dem diese mit Lipoproteinen assoziieren [67-68], bevor sie schließlich über den sekretorischen Weg in den extrazellulären Raum entlassen werden.

A B

Abbildung 4: Modell des HCV-Zelleintritts (A) und des -Replikationszyklus‘ (B). A: Das Virus bindet zunächst an den LDL-Rezeptor. Danach wandert der Virus-Rezeptor-Komplex entlang der Zelloberfläche von der basolateralen Seite, wo es auf SR-B1 und CD81 trifft, zum „tight-junction“ Bereich. Dort befinden sich die Proteine Claudin-1 (CLDN1) und Occludin (OCLN1). Alle vier Rezeptoren sind für den Zelleintritt notwendig.

B: Das Virus wird über Rezeptor-vermittelte Endozytose aufgenommen. Nach der Freisetzung der viralen RNA ins Zytosol wird die Translation von der IRES am rER eingeleitet. Die Replikation findet an Membran-assoziierten Replikationskomplexen („membranous webs“) statt. Die Knospung des HCV-Partikels erfolgt vermutlich direkt in das ER-Lumen hinein, bevor die reifen Partikel über den sekretorischen Weg in den extrazellulären Raum freigesetzt werden. (nach [69])