• Einführung
• Ribozyme I
• Ribozyme II
• Ribozyme III, In vitro Evolution
• in vitro Evolution neuer Ribozyme
• SELEX
• Display-Techniken:
In vitro Evolution von Proteinen
• RNA-basierte Regulation: Riboswitches
• RNA Interferenz
• small noncoding RNA
• Influenza – ein RNA-Virus
RNA Biochemie 11/1
MSc-Modul RNA-Biochemie
RNA Biochemie 11/2
Influenza
RNA Biochemie 11/3
Influenza
„I had a little bird, its name was Enza;
I opened up the window and IN-FLU-ENZA!“
Kindervers von 1918 Grippe ≠ grippaler Infekt, Erkältung
RNA Biochemie 11/4
Das Influenza-Virus
DAS Virus
DER Phage
DER Virus
RNA Biochemie 11/5
Das Influenza-Virus
segmentiertes Negativstrang-RNA Virus
• Membran-umhüllt
• RNA-Genom: 13,6 kb
einzelsträngig
negativsträngig
segmentiert
• 10 Strukturproteine
• RNA-abhängige RNA-Polymerase
• Replikation erfolgt im Kern
RNA Biochemie 11/6
Das Influenza-Virus
RNA Biochemie 11/7
Das Influenza-Virus
Aufbau:
Nucleoprotein NP
Neuraminidase NA
Matrix-Protein M1
Nicht-Struktur-Protein NS2
Hämagglutinin HA
Nicht-Struktur-Protein NS1
Integrales Membran-Protein M2
RNA
PB2
PA
PB1
RNA Biochemie 11/8
Das Influenza-Virus
Proteine:
RNA Biochemie 11/9
Das Influenza-Virus
3 Typen:
A, B, C (basierend auf NP und M1)
Oberflächen-Antigene:
Hämagglutinin (H)
Neuraminidase (N)
Nomenklatur: HxNy
viele Influenza A Subtypen:
H3N2 (human)
H7N7 (Vögel, Niederlande, 2003)
H5N2 (Vögel)
H9N2 (human,
Hong Kong, China, 2003)
H5N1 (Vögel)
H1N1 (Schweine)
Infektionszyklus:
• Attachment mittels
Hämagglutinin
• Endocytose
• Freisetzung aus
Vesikel (Endosom)
RNA Biochemie 11/10
Das Influenza-Virus
Hämagglutinin: Andocken an Wirtszelle
Sialinsäure-
Bindungstaschen
RNA Biochemie 11/11
Das Influenza-Virus
Hämagglutinin:
Membranfusion zur Freisetzung des RNA-Genoms
RNA Biochemie 11/12
Das Influenza-Virus
Hämagglutinin:
pH 5.0(Endosom;
virales M2 Proteinöffnet sich alsIonenkanal)
RNA Biochemie 11/13
Das Influenza-Virus
Hämagglutinin:
RNA Biochemie 11/14
Das Influenza-Virus
Fusion und Uncoating:
M2 wird als Ionenkanal geöffnet:
Einstrom vom Protonen
Freisetzen der vRNPs
RNA Biochemie 11/15
Das Influenza-Virus
M2-Kanal
RNA Biochemie 11/16
M2-Inhibitoren
Amantadin (Symmetrel) Rimantadin (Flumadin)
Infektionszyklus:
RNA Biochemie 11/17
Das Influenza-Virus
RNPs mit Kernlokalisationssignal
PB1: Polymerase
• Kernimport der vRNPs
• Transkription
• Export der mRNAs
RNPs mit Kernlokalisationssignal
PB1: Polymerase
Translation:
RNA Biochemie 11/18
Das Influenza-Virus
RNA Biochemie 11/19
Das Influenza-Virus
Transkription:
Cap Snatching
• Stabilisierung
• mRNA Export
• Translation
Transkription: Cap Snatching
• virale mRNAs werden translatierbar
• Wirts-mRNAs sind nicht mehr translatierbar
Umschalten der Translation auf Virenproduktion!
RNA Biochemie 11/20
Das Influenza-Virus
Infektionszyklus:
RNA Biochemie 11/21
Das Influenza-Virus
• Kernimport der viralen Proteine
• Replikation der vRNAs
• Nucleocapsidbildung
• Export der Nucleocapside
• Zusammenbau der Partikel
• Knospung
• Freisetzung
Neuraminidase:
Tetramer
Monomer mit
gebundener Sialin-Säure
RNA Biochemie 11/22
Das Influenza-Virus
Neuraminidase:
RNA Biochemie 11/23
Das Influenza-Virus
membranständiges
Glycoprotein
Kern-Saccharid
(NAG, Gal)
NAG
Gal
Sialinsäure
Neuraminidase
Zellmembran
Neuraminidase:
RNA Biochemie 11/24
Das Influenza-Virus
RNA Biochemie 11/25
Neuraminidase-Hemmer
aber:
Punktmutationen im
Neuraminidase-Gen
vermitteln Resistenz!
Sialinsäure
Zanamavir (Relenza)
Oseltamivir (Tamiflu)
Inhibitoren blockieren die Freisetzung
von Viruspartikeln
RNA Biochemie 11/26
Neuraminidase-Hemmer
RNA Biochemie 11/27
2 Schlüsselproteine
Hämagglutinin
• bindet an Sialinsäure der Wirtszelle zum Virus-Attachment
• initiiert Membranfusion
Neuraminidase
• spaltet Sialinsäure ab und ermöglicht damit Virus Release
Nach den Subtypen dieser Proteine erfolgt die Nomenklatur!
RNA Biochemie 11/28
Hämagglutinin als Therapie-Target
Influenza B:
Palese, 2017
Attachment
wird verhindert
monoklonaler
chimärer
Antikörper
aus der Maus
humanes
Immunsystem
erkennt Virus
Fc-Teil
aus humanem IgG
H1 N1
H2 N2
H3 N3
H4 N4
H5 N5
H6 N6
H7 N7
H8 N8
H9 N9
H10
H11
H12
H13
H14
H15
Hämagglutinin Subtyp Neuraminidase Subtyp
RNA Biochemie 11/29
Natürliche Wirtstiere von Influenza-Viren
RNA Biochemie 11/30
Die Grippe
• Weltweit jährlich 250.000 – 500.000 Tote
• USA:
35.000 Tote
>200.000 Klinikeinlieferungen
37,5 Mrd. US-$ Kosten (Behandlungskosten,
wirtschaftliche Ausfälle)
• BRD:
Grippetote > Verkehrstote
• Weltweite Bedrohung: Pandemie
RNA Biochemie 11/31
Influenza-Pandemien
1918 1957 1968 1977 1997
1998/9
2003
H1
H1
H3H2
H7H5H5
H9
Spanische
Grippe
H1N1
Asien-
Grippe
H2N2
Russische
Grippe
Vogel-Grippe
Hong-
Kong-
Grippe
H3N2
RNA Biochemie 11/32
Influenza-Pandemien
1918 Spanische Grippe (H1N1): 40-80 Mio. Tote
1957 Asien-Grippe (H2N2): 1 Mio. Tote
1968 Hong-Kong-Grippe (H3N2): 0,8 Mio. Tote
Kürzestes Intervall: 11 Jahre
Längstes Intervall: 39 Jahre
gegenwärtiges Intervall: 51 Jahre
nächste Pandemie:
weltweite Bevölkerung könnte
um bis zu 30% (~2,3 Mrd.)
reduziert werden!
Erste Informationen 1918 aus Spanien: 8 Mio. infiziert
3 Wellen:
Frühjahr 1918 (nur gering erhöhte Letalität)
Herbst 1918 (hohe Letalität)
Winter 1919 (hohe Letalität)
Amerikanische Ärzte warnten:„Finden Sie jeden verfügbaren Tischler und Schreiner
und lassen Sie sie Särge herstellen. Dann nehmen Sie
Straßenarbeiter und lassen Sie sie Gräber ausheben.
Nur dann haben Sie eine Chance, dass die Zahl der
Leichen nicht schneller steigt als Sie sie beerdigen
können.“
RNA Biochemie 11/33
Die Spanische Grippe (1918/19)
National Museum of Health and Medicine (USA):
RNA Biochemie 11/34
Die Spanische Grippe (1918/19)
RNA Biochemie 11/35
Die Spanische Grippe (1918/19)
RNA Biochemie 11/36
Die Spanische Grippe (1918/19)
Spezifische Todesrate: (Anzahl der Todesfälle/Gesamtbevölkerung)x100.000
„Cytokine Storm“
RNA Biochemie 11/37
Die Spanische Grippe (1918/19)
National Museum of Health and Medicine (USA):
RNA Biochemie 11/38
Die Spanische Grippe (1918/19)
RNA Biochemie 11/39
Die Spanische Grippe (1918/19)
RNA Biochemie 11/40
Die Asien-Grippe (1957/58)
Mitglieder der Roten Garde
in China tragen Mundschutz,
um einer Influenza-Infektion
vorzubeugen.
0,8 Mio. Tote weltweit
30.000 Tote in der BRD
RNA Biochemie 11/41
Die Hong-Kong-Grippe 1968
RNA Biochemie 11/42
Pandemien
Hämagglutinin, Neuraminidase
RNA Biochemie 11/43
Definitionen
• Epidemie: lokale Häufung von Erkrankungen
• Pandemie: weltweite Erkrankungen
• Antigene Drift
Veränderungen in Proteinen durch Mutation und Selektion
= Grund für jährliche Aktualisierung des Impfstoffes
• Antigener Shift
Veränderungen in Proteinen durch genetische
Neukombination von verschiedenen RNA Molekülen
Folge: neue Viren, die nicht durch jährlichen Impfstoff
abgedeckt sind.
RNA Biochemie 11/44
Antigene Drift
RNA Biochemie 11/45
Antigene Drift
RNA Biochemie 11/46
Antigener Shift
RNA Biochemie 11/47
Antigene Drift - Antigener Shift
Antigene Drift:
Antigener Shift:
RNA Biochemie 11/48
Antigener Shift durch RNA Reassortment
RNA Biochemie 11/49
Pandemie durch H5N1?
H5N1
z.B.H3N2
RNA Biochemie 11/50
Pandemie durch H5N1?
Nature 2005:
„They have constructed a
virus that is perhaps the
most effective bioweapon
known.“
RNA Biochemie 11/51
Spanische Grippe: Ein Vogelvirus!
RNA Biochemie 11/52
RNA Reassortment
RNA Biochemie 11/53
Influenza-Pandemien
RNA Biochemie 11/54
Influenza-Pandemien
• Einführung
• Ribozyme I
• Ribozyme II
• Ribozyme III, In vitro Evolution
• in vitro Evolution neuer Ribozyme
• SELEX
• Display-Techniken:
In vitro Evolution von Proteinen
• RNA-basierte Regulation: Riboswitches
• RNA Interferenz
• small noncoding RNA
• Influenza – ein RNA-Virus
RNA Biochemie 11/55
MSc-Modul RNA-Biochemie