In-vivo and in silico studies of the receptor binding specificity of human rhinoviruses

Humane Rhinoviren (HRV) sind verantwortlich fur rund die Halfte aller Erkaltungen beim Menschen. Die zur Familie der Picornaviren gehorigen Rhinoviren besitzen ein ikosaedrisches Kapsid, das aus den 4 viralen Strukturproteinen (VP1, VP2, VP3 und VP4) aufgebaut ist. Der Durchmesser dieses Kapsids betragt 30 nm. Die mehr als hundert verschiedenen Virustypen konnen anhand ihrer Fahigkeit an zellulare Rezeptoren zu binden eingeteilt werden. Die weitaus grosere Gruppe der beschriebenen Rhinoviren binden an den ICAM-1 Rezeptor um in die Wirtszelle zu gelangen. Eine kleine Gruppe von Rhinoviren, genannt „minor group“ Viren binden an LDL-Rezeptoren, wie LDLR, LRP und VLDLR. Ein Ziel dieser Arbeit war es neue Einblicke in die Details der Interaktion von Virus und Rezeptor zu erhalten. Vorhergehende Untersuchungen dieser Interaktion zeigten, dass nur ein virales Protein in diese Wechselwirkung involviert ist. Dieses virale Protein 1 (VP1 genannt), und im speziellen die Oberflachen-„loops“ sind an der Wechselwirkung mit den LDL Rezeptoren beteiligt. Sequenzanalysen der LDLR bindenden Rhinoviren („minor group“ viruses) zeigten, dass lediglich ein Aminosaurerest, ein Lysin, strikt konserviert ist. Dieses Lysin befindet sich in der Mitte des HI-„loop“. Man nahm an, dass dieses Lysin verantwortlich sei fur die Bindung an LDL Rezeptoren. Es wurden jedoch einige Rhinovirus Typen gefunden, die an der gleichen Stelle ebenfalls ein Lysin aufweisen. Diese Gruppe von Viren (K-Typen) konnen anhand ihrer Sequenzmerkmale nicht von „minor group“ Viren unterschieden werden, jedoch konnen sie den LDL Rezeptor nicht fur die Infektion verwenden. Im ersten Teil meiner Diplomarbeit ging es um die Entwicklung eines Bioinformatischen Klassifizierungsverfahrens. Mit diesem sollte es moglich sein alle bekannten Rhinovirus Typen gemas ihrer Rezeptor Spezifikation einzuteilen. Die Methode beruht auf der Hypothese, dass bindende Typen eine zum Rezeptor komplementare Ladungsverteilung an ihrer Oberflache aufweisen, die es ihnen ermoglicht den Rezeptor zu binden. Gemas dieser Hypothese sollten die Bindungsaffinitaten der bindenden Typen hoher sein als die der nicht bindenden Typen. Die 3D Strukturen des VP1 Proteins wurden durch „homology modelling“ erhalten. 3D Koordinaten, die der determinierten Rontgenstruktur von HRV2 mit gebundenen V3 entnommen wurden, dienten als Matrize fur alle die Anordnung aller anderen Rhinoviren-Rezeptor Komplexe. Nach einem Energie Minimisierungsschritt wurden die Modelle aller Rhinoviren mit gebundenem Rezeptor hinsichtlich ihrer Bindungsaffinitat analysiert. Eine der verwendeten Methoden, war tatsachlich in der Lage alle Rhinoviren korrekt zu klassifizieren. Die Gruppe der K-Typen hatten generell hohere Affinitaten zu dem verwendeten Rezeptor (V3), als andere „major group“ Viren. Im anschliesenden Teil der Arbeit wurde ein „major group“ Virus (HRV14) so mutiert, das er einen ganzlich veranderten HI-loop aufweist. Die Sequenz des am starksten in der Virus-Rezeptor Interaktion involvierten Oberflachen“loop“ (HI-loop) wurde gegen die Sequenz eines „minor group“ Virus mittels Zielgerichteter Mutagenese ausgetauscht. RNA Klone der mutierten Sequenz waren jedoch nicht infektios. Es gelang lediglich einen infektiosen Klon der nur eine Punktmutation im HI-„loop“ aufwies herzustellen.