Tiefere Einblicke in Virusinfektionen

13.03.2018

Mit einer neuen Analysetechnik schärfen Würzburger Forscher den Blick auf Virusinfektionen. Sie konnten damit nachweisen, dass virusinfizierte Zellen weitaus mehr infektionsbedingte Proteine und Peptide produzieren als gedacht.

Würzburger Biologen und Informatiker haben ein Analyseverfahren entwickelt, das die Menge der bekannten Proteine der Zytomegalieviren annähernd verdoppelt hat. (Foto: Thinkstock, Dr_Microbe)

Zytomegalieviren sind für Erwachsene meistens harmlos. Während einer Schwangerschaft aber können sie von der Mutter auf das Kind übertragen werden – und bei dem Ungeborenen schwere Fehlbildungen verursachen. Sobald diese Viren in eine menschliche Zelle eingedrungen sind, fangen sie mit der Produktion großer Mengen viruseigener Proteine an. Dies umfasst mehr als 500 unterschiedliche Proteine und Peptide. Von der Existenz von mehr als 200 davon wusste die Wissenschaft bislang nichts.

Das kam durch ein neues bioinformatisches Analyseverfahren zum Vorschein, das am Lehrstuhl für Virologie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) entwickelt wurde. Die Teams der Professoren Lars Dölken und Florian Erhard stellen ihre Methode im Fachjournal „Nature Methods“ vor. Ihr neues Verfahren ist für die Medizin relevant, weil Kenntnisse über das Repertoire viraler Proteine, mit denen diese zum Beispiel dem Immunsystem entgehen, für die Bekämpfung von Infektionen oder für die Impfstoffentwicklung von Bedeutung sind.

Ribosomen-Profiling wird zuverlässiger analysiert

Worin besteht die Stärke der Würzburger Methode? Mit ihr lassen sich die Aktivitäten der Ribosomen weitaus genauer erfassen als bisher. An den zahlreichen Ribosomen einer Zelle werden sämtliche Proteine und Peptide zusammengebaut. Im Fall einer Virusinfektion synthetisieren die Ribosomen auch alle Proteine, die das Virus zu seiner Vermehrung braucht. Die Bauanleitungen lesen sie von speziellen Boten-Molekülen ab, den mRNAs.

Welche Proteine und welche Peptide werden wie stark an den Ribosomen einer Zelle produziert? Wie ändert sich dieses Profil durch den Stress einer Vireninfektion? Das kann man mit modernen Hochdurchsatz-Verfahren beantworten, bei denen ein Ribosomen-Profiling (Ribo-seq) betrieben wird. Dabei werden die Aktivitäten der Ribosomen, die sogenannten Translationsvorgänge, als periodische Muster sichtbar.

„Bislang haben bei der Analyse von Ribo-seq-Daten verschiedene Fehlerquellen die zuverlässige Erkennung von Translationsereignissen oft verhindert“, sagt Florian Erhard. Zudem liegen bei mindestens der Hälfte aller mRNAs vor den bekannten offenen Leserahmen (ORF) noch kleinere offene Leserahmen (sORFs). Diese seien in den Messdaten häufig besonders schwer zu erkennen, stellen aber besonders in Stresssituationen einen wichtigen zellulären Regulationsmechanismus dar.

Viele neue zelluläre und virale Peptide gefunden

Das neue bioinformatische Verfahren namens PRICE verbessert die Identifikation von Translationsereignissen substantiell. „Mit unserer Methode ist es jetzt möglich, auch komplexe Fälle zum Beispiel von überlappenden ORFs oder von ungewöhnlichen Startcodons präzise aufzulösen. Somit lassen sich erstmals alle translatierten Bereiche genomweit mit hoher Genauigkeit bestimmen“, erklärt Professor Erhard.

Auf diese Weise hat das JMU-Team eine Vielzahl neuer zellulärer und viraler Peptide entdeckt. Die Forscher haben außerdem beobachtet, dass hunderte Peptide von sORFs über MHC-I-Moleküle effizient an der Zelloberfläche präsentiert werden.

„Somit kodieren sORFs für eine neue Klasse von Antigenen, die von unserem Immunsystem erkannt werden können“, sagt Lars Dölken. „Wir gehen darum davon aus, dass sORFs an immunologischen Kontrollmechanismen insbesondere bei Virusinfektionen und Stressreaktionen beteiligt sind.“ All diese Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten, um die Auswirkungen von Virusinfektionen auf den Organismus besser zu verstehen.

Ribo-seq-Datensätze sollten neu analysiert werden

Die PRICE-Methode wird sich in erster Linie auf die Grundlagenforschung auswirken. Ribo-seq ist ein Verfahren, das in den vergangenen Jahren in fast allen Bereichen der biomedizinischen Forschung eingesetzt wurde. „Mit PRICE ist es jetzt möglich, alle existierenden und künftigen Datensätze viel umfassender und mit substantiell verbesserter Genauigkeit zu analysieren“, so Dölken. Der Gewinn sei so groß, dass im Prinzip alle bisher publizierten Daten erneut analysiert werden sollten.

Um das möglich zu machen, stellen die Würzburger ihre Analyse-Software quelloffen im Internet zur Verfügung. Sie gehen davon aus, dass ihre Methode breit eingesetzt und international zum neuen Standard bei der Analyse von Ribo-seq-Experimenten wird.

Neue Erkenntnisse für die biomedizinische Forschung

Das Fazit der Forscher: „Wir sind überzeugt, dass die verbesserte Datenanalyse in vielen Bereichen der biomedizinischen Forschung wesentliche neue Erkenntnisse bringen wird.“ In der Virologie kann die neue Methode vielleicht dazu beitragen, auch das Zytomegalievirus besser zu verstehen. Bislang ist zum Beispiel nicht klar warum eine Infektion mit diesem Erreger manche ungeborenen Kinder oder Transplantationspatienten sehr stark schädigt und andere wiederum nicht.

Improved Ribo-seq enables identification of cryptic translation events, Nature Methods's, Florian Erhard, Anne Halenius, Cosima Zimmermann, Anne L'Hernault, Daniel J Kowalewski, Michael P Weekes, Stefan Stevanovic, Ralf Zimmer, Lars Dölken. Nature Methods, DOI: 10.1038/nmeth.4631