Doctoral Thesis
Herpesviren nutzen zwei unterschiedliche Zellkompartimente fĂŒr die Morphogenese. WĂ€hrend der Kapsid-Zusammenbau und die DNA Verpackung im Zellkern stattfinden, erfolgt die weitere Assemblierung im Zytoplasma. Um dorthin zu gelangen muss die Kernmembranbarriere ĂŒberwunden werden. HierfĂŒr knospen die Nukleokapside an der inneren Kernmembran und erhalten dort eine primĂ€re VirushĂŒlle, die allerdings nach Fusion mit der Ă€uĂeren Kernmembran wieder verloren geht. FĂŒr diesen als envelopment-deenvelopment bezeichneten Vorgang ist ein Komplex aus zwei viralen Proteinen notwendig. Er besteht aus pUL34, einem Membranprotein der Kernmembran und dessen Interaktionspartner pUL31. Beide Proteine allein reichen aus, um Membranvesikel von der inneren Kernmembran abzuschnĂŒren. Ziel dieser Arbeit war, diesen nuclear egress weiter zu charakterisieren. HierfĂŒr sollte zunĂ€chst geklĂ€rt werden, welche DomĂ€nen von pUL34 fĂŒr dessen korrekte Lokalisierung in der Kernmembran und der Interaktion mit dem Komplexpartner pUL31 notwendig sind. Dazu wurden chimĂ€re Proteine aus Teilen des pUL34 und zellulĂ€ren Proteinen der inneren Kernmembran hergestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass die pUL34-TransmembrandomĂ€ne keine virusspezifische Funktion besitzt und durch entsprechende Bereiche zellulĂ€rer Proteine ausgetauscht werden kann. Auch die Erweiterung der Substitution auf 50 C-terminale AminosĂ€uren fĂŒhrte zu einem funktionellen Protein, wĂ€hrend ein Konstrukt mit einem Austausch von 100 C-terminalen AminosĂ€uren durch entsprechende Lap2Ă Sequenzen den Defekt der PrV-deltaUL34-Deletionsmutante nicht mehr komplementieren konnte. Dennoch war noch immer eine Interaktion mit dem Komplexpartner möglich. Dies zeigte, dass zwischen den C-terminalen AminosĂ€uren 50 und 100 ein virusspezifischer, funktionell wichtiger Bereich liegt, der in nachfolgenden Arbeiten weiter eingegrenzt werden muss. In frĂŒheren Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die AminosĂ€uren 1-162 des PrV pUL34 fĂŒr die Interaktion mit pUL31 ausreichen. FĂŒr das engverwandte HSV-1 konnte dieser Bereich jedoch auf die AminosĂ€uren 137 und 181 eingegrenzt werden. Um dies fĂŒr PrV pUL34 nĂ€her zu untersuchen wurde das Konstrukt pUL34-LapNT hergestellt, bei dem die 100 N-terminalen AminosĂ€uren durch Lap2Ă Sequenzen ersetzt wurden. Hier zeigte sich jedoch, dass pUL34-LapNT das pUL31 nicht mehr an die innere Kernmembran rekrutieren konnte und folglich den Defekt der PrV-delta UL34-Deletionsmutante nicht mehr komplementierte. Im Gegensatz zu HSV-1 scheinen hier auch die N-terminalen 100 AminosĂ€uren fĂŒr die Interaktion mit pUL31 notwendig zu sein. Da die Expression von pUL34 und pUL31 allein ausreicht, um die Bildung von Membranvesikeln von der inneren Kernmembran abzuschnĂŒren, sollte im Weiteren getestet werden, ob auch Kapside in diese Vesikel aufgenommen werden. Da bei Herpesviren die Kapside autokatalytisch gebildet werden und dies bereits fĂŒr einige Herpesviren ĂŒber Expression in rekombinanten Baculoviren nachgestellt werden konnte, sollte versucht werden, dies auch fĂŒr PrV zu etablieren. Dabei sollte die Kapsidbildung ĂŒber Transduktion in SĂ€ugerzellen unabhĂ€ngig von einer PrV Infektion nachgestellt werden. Hierbei sollte geklĂ€rt werden, welche weiteren viralen Proteine, neben den eigentlichen Kapsidproteinen, wie z.B. das pUL17 und pUL25, fĂŒr den nuclear egress notwendig sind. Obwohl alle Kapsidkomponenten kloniert und auch in Zellen exprimiert werden konnten, konnte keine Kapsidbildung nachgewiesen werden. Die Ursachen hierfĂŒr konnten nicht geklĂ€rt werden. AuffĂ€llig war, dass das Triplexprotein pUL38 in den Baculovirus-transduzierten Zelllysaten ein etwas anderes Laufverhalten als das in Zelllysaten PrV-infizierter Zellen aufwies, dessen Ursache nicht auf der Verwendung eines downstream lokalisierten Startkodons beruhte. Mit Hilfe dieser rekombinanten Baculovirusvektoren konnte jedoch gezeigt werden, dass das Hauptkapsidprotein pUL19 mit dem GerĂŒstprotein (pUL26 bzw. pUL26.5) und die Triplexproteine pUL18 und pUL38 gemeinsam in den Kern transportiert werden. Die Beteiligung zellulĂ€rer Proteine am nuclear egress sollte ĂŒber siRNA Experimente untersucht werden. In einer vorangegangen Arbeit war gezeigt worden, dass p97, eine zellulĂ€re AAA+ATPase, nach Infektion vermehrt exprimiert wurde. Ziel war es, die p97 Expression ĂŒber siRNA zu reduzieren und den Effekt auf die Virusinfektion zu untersuchen. Eine erfolgreiche siRNA Studie war bereits fĂŒr p97 in Rattenzellen publiziert und sollte hier angewandt werden. Leider waren die zur VerfĂŒgung stehenden Rattenzelllinien nur sehr ineffizient transfizierbar und zusĂ€tzlich auch schlecht mit PrV infizierbar. Das eigene Design und die Anwendung von p97 spezifischer siRNA fĂŒr Kaninchenzellen zeigte zwar die gewĂŒnschte Reduktion der p97 Expression, war jedoch nur sehr schlecht reproduzierbar und konnte daher nicht fĂŒr aussagekrĂ€ftige Infektionsversuche verwendet werden.
Herpesviruses are enveloped DNA viruses which are dependent on two fusion steps for efficient replication in the host cell. First, they have to fuse their envelope with the cellular plasma membrane or with the vesicle membrane after endocytic uptake to enter the host cell and second, they have to export the newly generated nucleocapsids from the site of assembly to the cytoplasm by fusion of the primary virion envelope with the outer nuclear membrane (ONM). The main goal of this project was to provide a better understanding of how herpesvirus capsids exit the nucleus. On the one hand this thesis aimed at finding cellular proteins involved in nuclear egress (Paper I), while on the other the focus was on further characterization of the viral nuclear egress complex (NEC, Paper II) and its interaction with the capsid (Paper III).
It is the hallmark of viruses, including herpesviruses, to hijack host cell proteins for their efficient replication. Some of those interactions are well characterized, while others might not yet have been discovered. In the last step of the nuclear egress, where the primary virion membrane fuses with the ONM, most likely a cellular machinery is involved. The presented work focused on Torsin, the only known AAA+ ATPase localizing in the endoplasmic reticulum and the perinuclear space (PNS). For this, the effect of overexpression of WT and mutant proteins, as well as CRISPR/Cas9 generated knock-out cell lines, on PrV replication was analyzed. Neither single overexpression nor single knockouts of TorA or TorB had any significant effects on virus titers. However, infection of TorA/B double knockout cells revealed reduced viral titers and an accumulation of primary virions in the PNS at early infection times, indicating a delay in nuclear egress.
The process of nuclear egress has been intensively investigated without revealing all its details. To address some of the missing aspects we generated monoclonal antibodies (mAbs) against the NEC and its components (pUL31 and pUL34) for a better visualization of the process in transfected as well as infected cells. These mAbs provide a useful tool for future analyses.
The publication of the NEC crystal structure formed the basis for intensive research on the molecular details of the NEC formation and its interaction with the nucleocapsid. Recently, our lab showed that lysine (K) at position 242 in the membrane-distal part of pUL31 is crucial for incorporation of the nucleocapsid into budding vesicles. Replacing K by alanine (A) resulted in accumulations of vesicles in the PNS, while mature capsids were not incorporated. To test whether this is due to electrostatic interference or structural restrictions we substituted K242 by different aa to determine the requirements for nucleocapsid uptake into the nascent primary particles. To analyze whether the defect of pUL31-K242A can be compensated by second-site mutations, PrV-UL31-K242A was passaged and mutations in revertants were analyzed. Different mutations have been identified compensating for the K242A defect. A considerable number of mutations indicates that the NEC is much more flexible than previously thought. Further, we gained information that the K at position 242 is not directly involved in capsid interaction, while it is more likely involved in rearrangements within the NEC coat.