Bahnbrechende Entdeckung bei der BK-Polyomavirus-Replikation gibt Hoffnung auf Schutz bei Nierentransplantationen

Das BK-Polyomavirus oder BKPyV ist eine der Hauptursachen für das Scheitern einer Nierentransplantation. Es gibt keine wirksamen Medikamente zur Behandlung von BKPyV. Forschungen an der University of Alabama in Birmingham offenbaren neue Aspekte der BKPyV-Replikation und bieten mögliche Angriffspunkte für Medikamente zum Schutz transplantierter Nieren.

Um die BKPyV-Replikation und Möglichkeiten zu ihrer Verhinderung besser zu verstehen, haben Forscher der Abteilung für Mikrobiologie der UAB eine Einzelzellanalyse der BKPyV-Infektion in primären Nierenzellen veröffentlicht. Ihre Ergebnisse widersprechen einem seit langem bestehenden Verständnis der molekularen Ereignisse, die für die BKPyV-Produktion erforderlich sind, und sie bieten neue, potenziell wirksame Angriffspunkte für Medikamente zum Schutz transplantierter Nieren, sagt Sunnie Thompson, Ph.D., außerordentliche Professorin. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht PLOS-Krankheitserreger.

Mit nur sieben Genen muss das BK-Polyomavirus die DNA-Replikationsmaschinerie der Wirtszelle nutzen, um neue Viren zu produzieren. Obwohl das Virus vor über 50 Jahren entdeckt wurde, ist wenig darüber bekannt, wie BKPyV Zugang zur Replikationsmaschinerie der Zelle erhält.

Diese Arbeit entstand aus einem scheinbaren Paradoxon. BKPyV ist in der Lage, einen völlig anderen Zellzyklus auszulösen, obwohl es auch zelluläre Signalwege aktiviert, die den Zellzyklus blockieren sollten.“

Jason M. Needham, Ph.D., Hauptautor

Das vorherrschende Modell legt nahe, dass BKPyV zu Beginn der Infektion ein Protein namens „Großes Tumorantigen“ (TAg) exprimiert. Es wurde angenommen, dass die frühe Expression von TAg Nierenzellen dazu bringt, die DNA der Zelle zu replizieren. Dies sollte dem Virus Zugriff auf die benötigte Replikationsmaschinerie verschaffen. Dies würde bedeuten, dass TAg exprimiert werden müsste, bevor die Zellen mit der Replikation ihrer DNA beginnen.

Doch als Needham, Thompsons Doktorand, eine Einzelzell-Zellzyklusanalyse an BKPyV-infizierten Nierenzellen durchführte, waren sie überrascht, als sie vor der ersten Runde der zellulären DNA-Replikation eine nicht nachweisbare TAg-Expression aufwiesen. Stattdessen kam es zu einem 100-fachen Anstieg der TAg-Spiegel, als die Zellen ihre erste Runde der DNA-Replikation abschlossen. Die Tatsache, dass TAg nach der DNA-Replikation exprimiert wurde, deutete darauf hin, dass es zu spät exprimiert wurde, um die Zellen dazu zu bringen, ihre DNA zu replizieren.

Die TAg-Expression und die Virusreplikation erfolgten nach der ersten Runde der Wirts-DNA-Replikation, und die TAg-Expression hing auch davon ab, dass die Zelle eine erste Replikationsrunde durchlief. Wenn Needham diese erste Runde der zellulären DNA-Replikation mit Inhibitoren hemmte, die nur die DNA-Replikation der Zelle, nicht aber die Virusreplikation beeinflussten, wurde TAg nie exprimiert und kein Virus produziert. Wenn er jedoch die DNA-Replikation nach der ersten Replikationsrunde inhibierte, als TAg bereits exprimiert war, war die Wirtsreplikation nicht mehr erforderlich, um die TAg-Expression oder die Virusproduktion aufrechtzuerhalten.

Thompson sagte: „Da die TAg-Expression für die Virusreplikation unbedingt erforderlich ist, deutet dies darauf hin, dass die Hemmung der DNA-Synthese von Nierenzellen früh nach der Infektion die BKPyV-Replikation verhindern könnte.“

Darüber hinaus stellten die UAB-Forscher fest, dass das Virus nach der Expression von TAg eine Replikationsumgebung aufrechterhielt, die auf normalen Mechanismen und Regulatoren des Wirtszellzyklus beruhte. Es war bekannt, dass eine BKPyV-Infektion die Zellteilung verhindert, was zu vergrößerten Zellkernen führt, die mit DNA aus mehreren Runden der zellulären DNA-Replikation ohne Zellteilung gefüllt sind. Weitere Experimente werden erforderlich sein, um festzustellen, ob die robuste TAg-Expression, die nach einer einzigen Runde der Wirts-DNA-Replikation auftritt, die Zellen dazu veranlasst, wieder in die zelluläre DNA-Replikation einzutreten und mehr Kopien der zellulären und viralen DNA anzufertigen, anstatt sich einer Zellteilung zu unterziehen.

Diese Studie legt nahe, dass Inhibitoren gegen die zellulären Proteine, die zur Aufrechterhaltung der erneuten Replikation erforderlich sind, bei der Behandlung von Nierenzellen, die aktiv BKPyV replizieren, wirksam wären, ohne den normalen Zellzyklus zu beeinträchtigen. Durch das Targeting eines Wirtsproteins verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass Viren eine Resistenz entwickeln, da sie keine genetische Kontrolle über das Medikamentenziel haben.

Wir verstehen immer noch nicht viel darüber, wie BKPyV von diesen Nierenzellen abhängt oder sie dazu anregt, mit der DNA-Replikation zu beginnen, sagt Thompson. Dazu gehört das Verständnis, wie die DNA-Replikation nach einer BKPyV-Infektion induziert wird; Wenn nicht durch frühe Expression von TAg, wie dann? Darüber hinaus müssen die Mechanismen, die die BKPyV-Reaktivierung in menschlichen Nieren regulieren, und die Details des viralen Lebenszyklus in vivo noch geklärt werden.

Mitautorin von Thompson und Needham in der Studie „Einzelzellanalyse zeigt, dass die S-Phase des Wirts die Expression großer T-Antigene während einer BK-Polyomavirus-Infektion antreibt“, ist Sarah E. Perritt, Abteilung für Mikrobiologie der UAB.

Die Unterstützung erfolgte durch die Zuschüsse AI123162, AI178734 und GM008111 der National Institutes of Health.

An der UAB ist Mikrobiologie eine Abteilung der Marnix E. Heersink School of Medicine.

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