Angriff auf die Achillesferse von HIV

Replikationszyklus von HIV

Schematische Darstellung des Replikationszyklus von HIV, der in den vom Virus befallenen Zellen tausendfach stattfindet. Um neue Wirkstoffe gegen den HIV-Reifungsprozess entwickeln zu können, haben Wissenschaftler den Prozess in größtmöglicher Auflösung untersucht.

Wissenschaftler des Universitätsklinikums Heidelberg und der Akademie der Wissenschaften in Prag haben die Reifung des AIDS-Erregers HIV untersucht. Ihre Ergebnisse zeigen neue Möglichkeiten für die Bekämpfung der Immunschwächekrankheit auf.

Auch gefährliche Viren haben eine Schwachstelle, an der ihr sonst nur schwer angreifbarer Lebenszyklus verwundbar ist. Eine solche Achillesferse ist beim Humanen Immundefizienz-Virus (HIV) die Reifung. Nach einer Infektion zwingt das Virus die betroffenen Zellen eines Menschen dazu, massenweise neue Viren zu produzieren. Neue Erreger entstehen in Form winziger Kügelchen, die zwar alle Bestandteile von HIV enthalten, aber zunächst einmal ungefährlich sind. In dieser Gestalt können sie nämlich keine weiteren Zellen eines Menschen infizieren und diese zur Produktion neuer Viren zwingen. Erst wenn ein Enzym aus den Viren selbst die Kügelchen kräftig umbaut und aus ihnen die typische Kapsid-Form reifer Viren macht, werden die jungen Erreger infektiös. Inzwischen gibt es mehrere Wirkstoffe, die dieses „HIV-Protease“ genannte Virus-Enzym blockieren und so zur Therapie von AIDS eingesetzt werden können.

Noch immer aber tappen die Forscher bei der Frage im Dunkeln, wie dieser komplizierte Umbau des Erregers im Detail funktioniert. Wäre dieser Prozess genauer bekannt, könnten neue Wirkstoffe entwickelt werden, die einzelne Schritte dieser Reifung gezielt attackieren und so den Erreger mit neuen Medikamenten außer Gefecht setzen. Winzige Größe und nicht synchrone Reifung Barbara Müller vom Department für Infektiologie des Universitätsklinikums Heidelberg und ihre Kollegen in Prag und Heidelberg haben also gute Gründe, den Wandel der zunächst entstehenden unreifen Kügelchen zum gefährlichen Virus genau unter die Lupe zu nehmen. „Auf dem Weg dorthin müssen wir allerdings einige Hindernisse überwinden“, erklärt Barbara Müller. Eine dieser Hürden ist die winzige Größe des HIV von gerade einmal 150 Nanometern und damit 0,15 Tausendstel eines Millimeters.

Für ein Lichtmikroskop ist das zu klein, aus physikalischen Gründen können Lichtstrahlen nur Strukturen auflösen, die größer als etwa 200 Nanometer sind. Ein Elektronenmikroskop zeigt zwar erheblich kleinere Strukturen, kann aber nur „Schnappschüsse“ machen und bietet daher denkbar schlechte Voraussetzungen, einen Umbau detailliert zu beobachten. Obendrein entstehen in einer Zelle Tausende Virusknospen nicht etwa gleichzeitig, sondern jede von ihnen nach einem eigenen Zeitplan. Analysieren die Forscher das Reifen der Viren daher mit den Methoden der Biochemie, beobachten sie eine Mischung aus verschiedenen Stadien der Entwicklung. Ein Wandel lässt sich so kaum untersuchen. Es sei denn, die Forscher stoppen die Entwicklung aller Viren, solange sie noch ihre runde Knospenform haben. Schaffen sie es, diese Blockade schlagartig und gleichzeitig für alle Winzlinge aufzuheben, reifen die Viren synchron und können so mit erprobten Methoden biochemisch unter die Lupe genommen und beobachtet werden.

Wichtiger Zwischenschritt an BESSY II untersucht

Einen solchen Synchronisierungsmechanismus haben Jan Konvalinka und seine Mitarbeiter im Institut für Organische Chemie und Biochemie der Akademie der Wissenschaften in Prag entwickelt. Ausgangspunkt war einer der als Medikament eingesetzten Wirkstoffe, mit denen die HIV-Protease außer Gefecht gesetzt wird. Daran haben die tschechischen Biochemiker ein zweites Molekül-Teil angehängt, das empfindlich für blaues Licht mit einer Wellenlänge von 405 Nanometern ist. Eine Kristallstrukturanalyse mit der Synchrotronstrahlung von BESSY II, die an der vom Joint Berlin MX-Laboratory betriebenen Beamline 14.2 durchgeführt wurde, zeigte den tschechischen Forschern, dass dieses Kombi-Molekül die HIV-Protease fest an sich bindet und sie damit blockiert. Erst wenn das Blaulicht eingeschaltet wird, zerfallen der Wirkstoff und sein Anhängsel rasch und beenden so die Blockade der Protease, die dann die Reifung aller Virusknospen gleichzeitig einleitet. Dank dieser Entwicklung konnten Barbara Müller und ihre Kollegen im Heidelberger Labor mit biochemischen Methoden diesen Prozess untersuchen. Vorher haben sie Zellkulturen mit HIV infiziert und dabei den in Prag entwickelten, Blaulicht-empfindlichen Wirkstoff zugegeben. Weil dieser erst das Reifen der Viren unterbindet, entwickeln sich die Virusknospen normal. Diese nicht-infektiösen Jungviren isolierten die Forscher und bestrahlten sie mit Blaulicht. Schlagartig blockierte der Wirkstoff die HIV-Protease zehntausend Mal schlechter als vorher, zeigten die Ergebnisse. Die Blockade endete nach Einschalten des Blaulichts also praktisch komplett, die Virusknospen konnten daher gleichzeitig beginnen zu reifen. Mit den Methoden der Biochemie beobachteten die Forscher nun, wie die Protease die beiden vorhandenen Strukturproteine in kleinere Teile zerlegte.

Diesen Vorgang wollen Hans-Georg Kräusslich von der Heidelberger Uniklinik und seine Kollegen unter anderem mit einem neuartigen Fluoreszenzmikroskop beobachten, das der Nobelpreisträger Stefan Hell vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen gemeinsam mit Kollegen entwickelt hat. Ohne die Auflösungsgrenze anzutasten, verbessern einige Tricks die Auflösung dieses Lichtmikroskops so, dass die reifenden Viren gerade noch sichtbar sind. Die Chancen für neue Wirkstoffe gegen den HIV-Reifungsprozess könnten dadurch steigen.


Nature Communications, 6:6461 (DOI: 10.1038/ncomms7461): Triggering HIV polyprotein processing by light using rapid photodegradation of a tight-binding protease inhibitor; J. Schimer, M. Pávová, M. Anders, P. Pachl, P. Sácha, P. Cígler, J. Weber, P. Majer, P. Rezácová, H.-G. Kräusslich, B. Müller and J. Konvalinka