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„Ein HC-Virus befällt eine Leberzelle…“
der zweite Teil des hochinteressanten Symposiums mit Prof. Dr. Ralf Bartenschlager am 19.2.2005 im Best-Western-Hotel in Mannheim
Viele der Vorgänge um das Virus und was es alles in der Leberzelle bewirkt, sind in ihren Einzelheiten bis heute nicht erforscht. Zum Teil liegen auch widersprüchliche Aussagen vor.
So kommen beispielsweise Harris und MacDonald in einer zusammenfassenden Darstellung und Diskussion der bisherigen Forschungsarbeiten über das NS5A Protein zu folgender Einschätzung:
,,NS5A ist eindeutig mit der RNA Replikation in einem zytoplasmatischen Replikationskomplex in Verbindung zu bringen, aber wir haben gegenwärtig keine Informationen darüber, welche Funktion es ausübt.“ (Andrew Macdonald, Mark Harris, Hepatitis C Virus NS5A: Tales of an promiscuous protein, publ. ahead of print 8. Juni 2004 - http://vir.sgmjournals.org/cgi/content/abstract/85/9/2485?etoc). Zur Illustration der Komplexität zeigt die Tabelle 1 dieser Zusammenfassung die bislang bekannten zellulären Proteine, die mit dem NS5A interagieren. Es waren zu diesem Zeitpunkt deren 19, von PKR über p53, Bax und vielen uns bislang unbekannten Kürzeln bis zum La Autoantigen, welches z.B. beim Morbus Sjögren eine Rolle spielt. Zu viele, um in kurzer Zeit zu einem wirklichen Verständnis von NS5A und dessen Einfluss auf die Zelle zu kommen..
Wir werden also versuchen, uns auf das zu beschränken, was unter den Forschern weltweit als gesichert angenommen werden kann oder verweisen darauf, wenn es sich eher um Vermutungen handelt.
Das Virus
Um etwas anschaulicher zu machen, wie ein HC Virus eine Leberzelle befällt, sind zunächst einige Größenangaben und -vergleiche hilfreich:
Das Virus ist kugelig und hat einen Durchmesser von ca. 50 Nanometer, oder in Metern ausgedrückt 0, 000 000 05 Meter. Würde man das Virus nun auf Menschengröße bringen und den Menschen gleich mit vergrößern, dann würden wir aus etwa vierzigtausend km Entfernung (ein Zehntel der Entfernung bis zum Mond) auf das menschengroße Virus blicken. (siehe auch Vergleich im 1.Teil) Anderes Beispiel: verglichen mit der Erde hat das Virus die Größe eines Ballons mit etwa 10 Meter Durchmesser.
Dass man einer so kleinen Lebensform schwer auf die Schliche kommt, wird noch leichter verständlich, wenn man bedenkt, dass das HC-Virus kleiner ist, als die kleinste Schwingung des für den Menschen sichtbaren Lichts. Dies bedeutet praktisch, dass das Virus auf optischem Weg nur mit Elektronenmikroskopen (EM) für uns sichtbar gemacht werden kann (siehe dazu 1. Teil des Berichtes ab Seite 45 ff. in der Ausgabe 1/2005 der Lebenszeichen und http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenmikroskop und http://de.wikipedia.org/wiki/Nanotechnologie
Außerdem benötigt man eine sehr große Virusmenge, denn nur dann hat man eine Chance, das Virus unter dem Mikroskop auch zu finden. Das aber war für das HC-Virus bisher nicht machbar, weshalb die meisten Abbildungen in Fachzeitschriften, Magazinen und anderen Medien Modelle sind, die mit Hilfe von Computern erstellt wurden.
Warum befällt das Virus hauptsächlich die Leber?
Dies liegt daran, dass nur diese Zellen die erforderlichen Rezeptoren besitzen, die das HC-Virus benötigt, um sich anzuheften und in die Zelle einzudringen. Dabei scheint das Virus ganz besonders die hochdifferenzierten sog. Hepatozyten, die für die Verstoffwechslung zuständig sind, zu bevorzugen. Es ist unklar, ob sich das HC-Virus auch in Nichtparenchymzellen (NPZ), wie Lebersternzellen, Lebermakrophagen (Kupfferzellen) und Sinusendothelzellen, die von großer Bedeutung für die Aufrechterhaltung der normalen Leberfunktion sind, sowie in Itozellen, welche z.B. der Hauptspeicherort für Vitamin A sind, vermehren kann. Überdies sind Leberzellen - zumindest , wenn man sie im Labor züchtet - selbst schlechte Interferon-Produzenten im Gegensatz zu etwa den weißen Blutkörperchen, die besonders effektiv Interferon alpha produzieren. Das scheint auch das Hepatitis B-Virus erkannt zu haben, welches ebenfalls, wie das HC-Virus, besonders häufig chronische Infektionen verursacht.
Wie auch immer; für viel zu viele Viren sind die Leberzellen ganz offensichtlich ein mehr als attraktiver Ort zur Vermehrung und es ist unklar, warum.
Versuchen wir uns jetzt aber mehr auf das Was und das Wie zu konzentrieren.
Was ist das Virus?
Das Virus selbst besteht aus einer doppelschichtigen Hülle aus Fettmolekülen (Lipidmembran), in die die beiden viralen Proteine E1 und E2 eingebettet sind. Diese Lipidhülle umgibt das Kapsid, das nur aus Proteinen besteht und das wie ein Schutzpanzer die virale Erbinformation (das Genom) beherbergt.
Das Virus hat eine „Lebenszeit“ im Serum von etwa 3 bis 4 Stunden und es werden pro Tag und pro Patient ca. 10 – 10.000 Milliarden neuer Viren produziert. Das virale Genom ist eine RNA (Ribonukleinsäure), die einzelsträngig ist und eine sog. positive Polarität hat; d.h. sie „sieht aus“ wie bestimmte RNAs in einer normalen Zelle.
Das Kapsid ist sozusagen der Panzer, der die RNA schützt während die Lipidhülle der Anker für die viralen Proteine E1 und E2 ist, mit denen das Virus an die Leberzelle andockt und in diese eindringt.
Das Virus selbst ist als solches erst mal gänzlich harmlos, also nicht irgendwie giftig für die Zelle. Es ist wie eine Computerdiskette mit doppelter Hülle, wobei die virale Erbinformation einem Programm entspricht, das mit dem normalen Betriebssystem der Leberzellen ausführbar wird. Leider führt die Ausführung dieses Virenprogramms zu unzähligen Störungen und Beeinflussungen des normalen Betriebs und der Produktionsabläufe in dieser Leberzelle.
Phase 1 - Anheften des Virus
Wenn es also dieser unglaublich kleine Eindringling geschafft hat, über die Blutbahn bis zur Leber gespült zu werden und dabei allen Gefahren und Risiken durch die Immunabwehr bis dahin ausweichen konnte, kommt ihm das Ziel seiner Reise, der einzelne Hepatozyt (er hat die Größe von 10 Mikrometer = 0,00001 Meter) wie eine riesige Festung vor. Verglichen mit einem Ritter (HC-Virus) hat diese Festung ein Ausmaß von über 200 m in Länge und Breite. Doch Mauervorsprünge und Nischen (Rezeptoren) geben ihm die Chance, sich daran festhalten zu können, denn sein Ziel - das Entscheidende für den Eindringling - befindet sich innerhalb der Mauern, die diese Burg umgibt: eine Hightech-Anlage mit unzähligen kleinen und kleinsten Robots (Helfern), die auf Befehl auch Fremdarbeiten machen.
Um diese Burg herum liegen unzählige andere, zum größten Teil identische Festungsanlagen, mit einem ausgeklügelten System an Transportwegen, Sicherheits- und Kommunikationseinrichtungen dazwischen. Aber auch bewegliche Immunzellen halten sich dort auf (Makrophagen entsorgen u.a. alte rote Blutkörperchen). Man findet Ito-Zellen, die Fett (Energie) speichern, aber auch Strukturfasern (Kollagen) bilden und die Vernarbung der Leber bei Zirrhose verursachen, und noch einige Zellarten mehr, die das Virus möglicherweise auch befallen kann.
Die Mauer (dieser Leberzelle) ist dreidimensional zu verstehen: rings herum und oben und unten geschlossen, mit eigener Energieversorgung (Mitochondrien) und reichlich Vorräten (z.B. Glykogen) und riesigen Maschinen-Anlagen zur Produktion von Proteinen, die der Zelle selbst dienen (das erledigen die freien Ribosomen) und solchen, die für den Export vorgesehen sind (die Ribosomen des rauhen Endoplasmatischen Retikulum = ER). Dazwischen sind immer wieder Klärwerke für die Abfallentsorgung, sowohl von Abfall, der in der Zelle selbst produziert wird wie auch von Giftstoffen, die von außen mit dem Blut zu den Leberzellen gespült werden (glattes ER). Auch eine Reifungs-, Verpackungs-, und Frachtabteilung gibt es hier (Golgi Apparat) und außerdem schwimmen überall mit teils recht gefährlichen Inhalten gefüllte kleine Entsorgungs- und Abriss-Chemietanker herum (Lysosomen). Allerdings sind diese geschützt gegen ein mögliches Auslaufen. Was aber in sie hinein gerät, wird recycelt.
Und natürlich gibt es noch eine Verwaltung in jeder dieser Leberzellen, eine riesige Bibliothek, in der alle Bauanleitungen, alle denkbaren Arbeitsanforderung sozusagen als Blaupausen gespeichert vorliegen, den Zellkern.
Ist eine solche Einrichtung nicht mehr produktiv oder hat sie ihr natürliches Lebensende erreicht, wird ein Programm ausgelöst, bei dem die Zelle abstirbt (progammierter Zelltod oder Apoptose). Wenn die Zelle signalisiert, dass sie von Feinden besetzt ist, wird sie von patrouillienden Immunzellen erkannt, die ebenfalls die Apoptose auslösen. In aller Regel wird die zerstörte Zelle durch eine neue ersetzt.
Die Zellmembran, die Hülle der Leberzelle, entspräche in unserem Vergleich einer doppelten Mauer mit einem Zwischenraum und vielen Verstrebungen dazwischen, die sie haltbar machen und trotzdem aber Bewegungen zulassen, insgesamt ca. 25 cm stark (Zellmembran=7nm). Um dort erst mal möglichst schnell hinein zu gelangen, muss das Virus einen bestimmten Rezeptor finden, die möglicherweise zu Abertausenden außen auf der Zellmembran sitzen und auf diese Art den Austausch von Stoffen durch die Zellmembran regeln. In unserer Burgmauer befinden sich also unzählige Vorsprünge, Aussparungen und Nischen, die alle ihrerseits wieder völlig unterschiedliche Formen aufweisen. Dockt ein bestimmter Stoff mit seiner Passform genau an, so wird er an dieser Stelle durch die Mauer gelotst. So tauscht die Zelle sich mit ihrer Umgebung aus, ordnet Export und Import.
An der Anheftung des Virus an die Zelle ist nach bisherigem Kenntnisstand der Rezeptor CD81 ganz erheblich beteiligt. Diese Bindung ist allerdings nicht die einzig mögliche, denn neuesten Erkenntnissen zufolge gibt es auch andere Andockstellen wie etwa den LDL- Rezeptor (low density lipoprotein), der normalerweise dafür sorgt, dass winzige Kügelchen aus Protein und Fett durch die Membran geschleust werden. Des weiteren scheinen auch so exotisch klingende Rezeptoren wie DC SIGN Rezeptor und Scavenger Rezeptor B1 (Rezeptor für LDL, HDL und VLDL, also für Fette fast aller Art), Kandidaten für den Eintritt des Virus ins Zellinnere zu sein.
Wie es das Virus letztendlich schafft, in die Zelle einzudringen, ist noch unklar, es gibt aber gut fundierte Vermutungen auf der Basis von Analogien zu vergleichbaren Viren.
Schon mit der Anheftung des Virus beginnen bestimmte Vorgänge unabänderlich abzulaufen, die es unwahrscheinlich machen, dass sich das Virus wieder löst, um einen anderen Rezeptor oder eine andere Zelle zu suchen. Wenn unser Angreifer der Burg also glaubt, einen freien und geeigneten Mauervorsprung oder -vertiefung (Rezeptor) entdeckt zu haben, wird er sich gut daran festhalten. Wenn er loslässt oder wenn er nicht genügend Halt findet, das heißt, der Schlüssel doch nicht hundertprozentig passt, dann sinken seine Aussichten auf einen erfolgreichen zweiten Versuch.
Phase 2 - Eindringen des Virus
Hat das Virus also einen solchen Rezeptor gefunden und es geschafft, sich mit seinem E1 und E2 Haltegriff daran festzuhalten, dann stülpt sich auf das Signal des Anheftens hin an dieser Stelle die Membran (eine Lipidschicht) der Zelle nach innen ein, bildet einen Hohlraum, der einer Blase ähnlich ist und zieht das Virus mit. Unklar ist, ob einer der genannten Rezeptoren ausreicht, oder ob mehrere gleichzeitig, z.B. CD81 und LDL oder weitere, bisher unbekannte Rezeptoren betätigt werden müssen. Die Öffnung wird direkt hinter dem Virus wieder verschlossen, die Blase ins Zellinnere transportiert, wonach sie sich mit dem Inhalt zum Zellinneren hin wieder öffnet. Dabei verschmelzen die Lipidhülle des Virus mit der Lipidschicht der Blase, wodurch das Kapsid mit dem viralen RNA-Genom freigesetzt werden kann.
Phase 3 - Herstellen des Vorläufer-Polyproteins
Als nächstes öffnet sich das Kapsid und die HC-Virus RNA wird in das Zytoplasma (Zellflüssigkeit) entlassen. Diese wird von den Proteinsynthesemaschinen der Zelle (den Ribosomen) direkt abgelesen und dirigiert die Herstellung der viralen Proteine. Die genauen Vorgänge im Ribosom lassen sich anschaulich unter http:://www.riboworld.com nachlesen. Die Besonderheit des HC-Virus ist, dass es zunächst die Herstellung eines Vorläuferpolyproteins befiehlt, das aus ca. 3000 Aminosäuren (den Bausteinen eines Proteins) besteht. Dieses Vorläuferprotein enthält die Vorstufen der neuen Hüllproteine E1 und E2, des Kapsids und der sogenannten Nichtstruktur-(NS) Proteine, die für die weitere Vervielfältigung des viralen Genoms zuständig sind. Damit diese Komponenten entstehen, muß der ganze lange (Vorläufer-)Proteinfaden zunächst in bestimmte Teile zerschnitten werden, denn nur die Einzelteile, nicht aber die Vorläufer, sind wirksam und funktionstüchtig.
Für das Zerschneiden des Vorläufers ist insbesondere ein virales Protein verantwortlich, das Nichtstrukturprotein 3 (NS3). Es wirkt als sogenannte Protease und schneidet quasi alle viralen Faktoren aus dem Vorläufer heraus, die für die Vermehrung des viralen Erbguts (das RNA-Genom) zuständig sind. Eine Hemmung der NS3-Protease legt also die Virusvermehrung lahm.
Phase 4 - Vermehrung des Erbgutes (RNA)
siehe dazu auch >> http://www.uni-heidelberg.de/presse/ruca/ruca04-01/25.html
Das Erbgut des Hepatitis-C-Virus enthält zwei unterschiedliche Bauanleitungen: eine für die Herstellung der beiden äußeren Schutzhüllen und eine für die Komponenten, die für die Vermehrung des Erbguts erforderlich sind (vor allem die Enzyme Protease, Helikase und Polymerase).
Das Virus bildet eigens für die Vermehrung seines Erbgutes ein Geflecht aus Proteinen und Fettmolekülen an der Außenseite des endoplasmatischen Retikulums. Die Bildung dieses Geflechts wird hauptsächlich durch das Nichtstrukturprotein 4B ausgelöst.
Für das Kopieren der Virus-Erbsubstanz ist vor allem das virale Nichtstrukturprotein 5B (NS5B) verantwortlich. Es ist das Herzstück der Vermehrungsmaschinerie, die das virale Genom abliest und zunächst eine spiegelbildliche Kopie davon erstellt. Diese wird als Minusstrang-RNA bezeichnet, im Gegensatz zum viralen Genom, welches als Plusstrang-RNA bezeichnet wird. Ausgehend von der neu hergestellten Minusstrangkopie produziert das NS5B zahlreiche neue Spiegelbildkopien, die wieder Plusstrang RNAs sind (also Virusgenome). Diese können wieder zur Herstellung neuer Polyproteine oder neuer Minusstrangkopien verwendet werden und diese wiederum zur Bildung neuer Plusstrang RNAs usw..
Übrigens besteht eine solche Plusstrang RNA aus ca. 9600 Bausteinen (Nukleotiden), die bei jeder Vermehrungsrunde vom NS5B miteinander verbunden werden müssen. Auf Grund dieser Eigenschaften wird NS5B auch als RNA Polymerase bezeichnet, weil es ein „Polymer“, bestehend aus 9600 Einzelteilen, bilden kann. Da diese Polymerase das Herzstück der viralen Vermehrungsmaschine ist, führt deren Hemmung unweigerlich zu einer Hemmung der Virusvermehrung.
Phase 5 – Zusammenbau neuer Viren und Ausschleusung aus der Leberzelle
Die Produktion neuer Viren beginnt damit, dass sich einzelne Bestandteile des Proteinpanzers (Kapsid) mit einer Plusstrang RNA zusammenlagern und ein vollständiges Kapsid ausbilden. Dieses RNA-haltige Kapsid ist noch nicht infektiös, weil die äußere Hülle mit den „Haltegriffen“ E1 und E2 fehlt. Diese wird durch einen sog. Knospungsprozess erworben. Dabei „drückt“ das Kapsid vom Zytoplasma her fest auf die Lipidmembran des rauhen ERs. Dem Infektionsprozess vergleichbar „beult“ sich die Membran des ERs nach innen und bildet schließlich eine Blase , die sich in das Innere des ER’s hineinstülpt und abschnürt. Die Lipidmembran dieser Blase wird also zur Hülle des Virus. Da E1 und E2 schon vor der Virusbildung in der Lipidmembran des ER verankert wurden, enthält die neue Virushülle automatisch auch diese Proteine. Für den weiteren Rückweg bis nach draußen benutzt das HC-Virus dann einfach den üblichen Weg, der sonst auch für Exportgüter vorgesehen ist, um unbeschadet die Zelle zu verlassen, das heißt, es wird vom ER ausgehend in einen Vesikel verpackt, einen Behälter, der den Inhalt auf dem Weg bis zur Zellmauer in der Zellflüssigkeit (Zytoplasma) vor Zersetzung schützt (Lysosomen sind auch solche Vesikel).
Das ist die Stelle, wo es wieder von vorne losgeht. Abertausend winzige, mit einem Lipid-(Fett-)häutchen umhüllte Viren, in denen sich ein einzelner, relativ kleiner RNA-Faden als Erbgut versteckt, machen sich auf die Suche nach hilfsbereiten Gastgebern, deren Gastfreundschaft sie skrupellos ausnützen. Wir wünschen den ungebetenen Gästen, dass die Burgbewohner spätestens jetzt das selbstmörderische Risiko ihrer Gastfreundschaft erkannt haben und die herbei gerufenen Helfer sie enttarnen und erfolgreich bekämpfen.
Schlussbemerkungen
Für einige der Probleme, die das Virus im menschlichen Organismus verursacht, scheinen die Nichtstruktur Proteine NS3 und NS5A verantwortlich zu sein. So wird vermutet, dass die NS3 Protease die natürliche Interferon-alpha und –beta Produktion in den Leberzellen vollends unterbindet, was dazu führt, dass sich das HC-Virus sehr viel leichter auf Dauer einnistet d.h. in eine chronische Infektion mündet. Das NS5A Protein soll unter anderem die Proteinkinase PKR hemmen, die die Proteinproduktion in der Zelle lahm legt und damit die Virusproduktion drosselt.
Viele dieser und anderer wichtiger Vorgänge sind allerdings noch nicht im Detail erforscht. Möglicherweise werden verschiedene Einzelteile des ersten Vorläuferproteins auch in den Kern der Leberzellen transportiert (z.B. Satoh et al, Virology 270, 476 – 478) und richten dort Schaden an oder ändern das Zellprogramm, was unerwünschte Schäden zur Folge hat.
Wie diese viralen Zwischenprodukte genau beschaffen sind, welche Zellfunktionen das HC-Virus im Einzelnen unterbindet, wie es die Zelle durch Unterbinden der Apoptose zu verlängerter Lebenszeit bringt und wie es ihm gleichzeitig gelingt, die komplette Immunabwehr zu narren, liegt aber weiterhin im Dunkeln.
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