Das Spiel der Singles

Die Grundlagenforschung über Retroviren bei Aids und Krebs ist eine Seite, therapeutische Ansätze zu finden, eine andere. Hindernisse auf dem langen Weg vom Verstehen in die klinische Anwendung gibt es unzählige, und die WissenschafterInnen müssen sich immer wieder neue Tricks ausdenken, im Versuch, den cleveren Viren das Handwerk zu legen.

Von Karin Mölling

Sind Viren tot oder lebendig? Um die Frage zu beantworten denke man sich einen Apfel, der vom Baum gefallen herumliegt. Vermehren kann er sich nur unter ganz bestimmten Umweltbedingungen, die ausreichend Nährstoffe und die richtige Temperatur liefern.

Das Virus per se ähnelt bis ins Detail dem Aufbau eines Apfels – es hat eine Hülle, der Apfelschale entsprechend, einen Kern so symmetrisch wie ein Kerngehäuse, sogar eine Analogie zu den Kernen gibt es im Virus, sogenannte Nukleoproteine. In ihnen sitzt die Nukleinsäure, die DNA, das Erbgut von Virus oder Apfel mit Anleitung für die Nachkommen. Viren haben ausserdem noch Stachel, mit denen sie sich aussuchen, wo, das heisst in welcher Zelle, sie sich vermehren wollen.

Abbildung 1: Retroviren können verschiedene Erscheinungsformen haben. Eine davon führt zur erworbenen Immunschwäche Aids, die vom Humanen Immundefizienz-Virus HIV hervorgerufen wird. Es ist ein replikationsfreudiges Virus, das zu vielen Virusnachkommen führt und daher die bevorzugten Wirtszellen, die zum Immunsystem gehören und eigentlich als Abwehrtruppe des Virus agieren sollten, zerstört. Verlust von viralen Bestandteilen, zum Beispiel des pol-Gens, dem Gen der Reversen Transkiptase, kann durch Aufnahme eines Onkogens in das Virus,	v-onc, erfolgen und aus dem replizierenden Virus ein Tumorvirus machen, das viele verschiedene Typen von Wirtszellen in Tumorzellen verwandeln kann. Die Umkehrung eines Tumorvirus ist die Verwendung des Virus zur Therapie, indem das v-onc gegen ein Therapiegen ausgetauscht wird, ein Vorgang, der im Labor problemlos möglich ist. Das optimale Therapiegen zu finden ist jedoch nicht trivial. Ziel der Gentherapie ist es, eine Tumorzelle mittels Retrovirus wieder in eine normale Zelle zu verwandeln oder diese umzubringen.

Das Aids-Virus wählt sich dazu Zellen des Immunsystems – Lymphozyten – aus, also genau diejenigen Zellen, die der Körper braucht, um ein eindringendes Virus abzuwehren. Daraus folgt die Krankheit, die Immunschwäche Aids. Sie gab dem Virus seinen Namen: Humanes Immundefizienz-Virus HIV (Abb. 1).

Ein kleiner Umstand gab Viren dieser Art den Namen Retroviren. Er beruht darauf, dass das Erbgut des Virus nicht genau dem des Apfels oder der Wirtszelle entspricht. Es besteht nicht aus der vielzitierten Doppelhelix DNA, sondern einer einzelsträngigen RNA. Diese muss zur Virusvermehrung dem Erbgut der Zelle angepasst werden durch einen nur dem Virus möglichen Trick: Es kann mit einem eigens mitgeschleppten Enzym, der Reversen Transkriptase, RNA in DNA umwandeln. So kann das Virus sein Erbgut in das der Wirtszelle einklinken und wie zelluläre Gene vererbt werden.

Die Einzelsträngigkeit des viralen RNA hat eine Besonderheit zur Folge: Sie bildet keine stabile Struktur aus wie eine Wendeltreppe, sondern ist eher wie ein flexibles Tau. In der Tat kann RNA in der Zelle auch wie ein Schiffstau zu Splissen und Knoten durch sogenanntes Spleissen verkürzt oder verändert werden. In der Zelle kann sich eine einzelsträngige RNA – anders als Doppelstrang DNA – ständig verändern, zum Beispiel neue Eintrittspforten in die Wirtszelle suchen.

Alle RNA-Viren haben diese Fähigkeit, auch zum Beispiel das Influenza-Virus. Die Veränderlichkeit ist das Problem der Impfstoffgewinnung. Das Virus entkommt nicht nur dem Immunsystem des Wirts, sondern auch dem Tempo der Impfstoffproduzenten oder, schlimmer noch, der Phantasie der Impfstoffhersteller, denen bisher kein Impfstoff gelungen ist.

Krebszellen und Tumorviren

Das Herumvagabundieren der viralen RNA in der Wirtszelle liefert die Erklärung für eine zweite Erscheinungsform der Retroviren – ausser Aids können sie auch Krebs erzeugen (Abb. 1). Da es in der Zelle an Singles nur so wimmelt und diese über 200 000 Eigenschaften verfügen können, die Gene genannt werden, das Virus jedoch nur über 10, kommt es zum Austausch – das Virus gibt ein Gen auf und nimmt sich ein neues aus der Zelle.

Abbildung 2: Die Replikation von Retroviren wie HIV in der Wirtszelle erfolgt über viele Stufen. Eine davon ist die Umschreibung der viralen RNA mittels der Reversen Transkriptase in Doppelstrang-DNA, auch DNA-Provirus genannt. Diese wird in die DNA der Wirtszelle stabil eingebaut und wie zelluläre Gene vermehrt, das heisst, jede Tochterzelle trägt diese Zusatzgene. Die zelluläre Maschinerie für die Proteinsynthese kann zwischen Zellgenen und Virusgenen nicht unterscheiden und produziert somit eigene Proteine sowie neue Virusnachkommen – oder im	Falle von Tumorviren Onkogen-Produkte. Eine Impfung mit nackter DNA per Spritze täuscht eine Virusvermehrung vor, wobei die DNA von der Wirtszelle nicht eingebaut werden darf –, da dieser Vorgang später genauso zu Krebs führen kann wie ein Fehler in der DNA. Es werden auch nur einige, nicht alle viralen Proteine hergestellt, es soll keine Virussynthese erfolgen, sondern nur eine Scheininfektion zur Anregung des Immunsystems, besonders von toxischen T-Zellen, sogenannten Killerlymphozyten, die echt infizierte Zellen erkennen und abtöten sollen.

Diese Bescheidenheit, sich auf einen einzigen Genaustausch zu beschränken, nicht etwa fünf neue Gene dazuzunehmen, wird erzwungen durch die Grösse des Virus – mehr passt nicht hinein in den Kern. Das Spiel der Singles in der Zelle wird nochmals eingeengt für das Virus, es kann nur einen ganz speziellen Austausch riskieren: Dieser muss einen Wachstumsvorteil liefern, und zwar für die Wirtszelle, in der sich das Virus befindet. Sitzt das Virus nämlich in einer Zelle fest, die sich langsamer teilt als die der Umgebung, wird diese von den Nachbarzellen überwuchert und geht zugrunde. Für eine erfolgreiche Virusvermehrung muss die virushaltige Zelle also die andern Zellen überwuchern.

Damit sind wir bei der Krebszelle angelangt und den Tumorviren. Das neue virale Gen ist ein Wachstumsbeschleuniger der Zelle und wird als Krebsgen oder Onkogen bezeichnet. Man muss sich nur erinnern, dass dieses Onkogen aus der Zelle stammt, von der Party der Singles mitgenommen wurde – um das Hauptproblem der Krebsbekämpfung zu verstehen: Das Krebsgen ist einem normalen zellulären Gen ganz nahe verwandt.

Findet man nun eine Therapie gegen das virale Onkogen, verletzt man zugleich mit grosser Wahrscheinlichkeit das normale Gen in einer normalen Zelle: Das ist das Dilemma der Krebstherapie. Ungefähr hundert Onkogene sind aus Retroviren bekannt – sie wirken wie Gaspedale, als Wachstumsbeschleuniger für die Wirtszellen, die sich deshalb schneller teilen.

Onkogene verfügen jedoch oft über noch eine weitere Eigenschaft: Sie blockieren zugleich natürliche zelluläre Bremsen und sind somit die Ursache von Bremsversagen, das ebenfalls das Wachstum der Zelle ankurbelt. Die Bremsen einer gesunden Zelle setzen immer dann ein, wenn dem Erbgut Gefahr droht. Durch Verlangsamen des Wachstums gewinnt die Zelle Zeit zur Reparatur von Fehlern in der DNA, in einer Art Selbstreinigungsprozess. Entfällt diese Pause durch Anwesenheit eines viralen Onkogens, häufen sich die ganz natürlich auftretenden Fehler im Erbgut der Zelle, statt dass sie repariert werden. Die Krebsentstehung ist garantiert.

Bei so viel Wachstumsvorteilen der Wirtszelle erübrigt es sich für das Virus, diese wieder zu verlassen. Es macht es sich in der Zelle bequem wie auf einem Kanapee. Dazu passt es sich der Wirtszelle an, die virale RNA wird mittels der Reversen Transkriptase in DNA übersetzt und kann nun Platz nehmen im Chromosom der Zelle.

Die Zelle besitzt nun statt 200 000 Genen 200 001, nämlich ein Onkogen zusätzlich, und einige Restgene des Virus. Der Umweg eines zellulären Gens über ein Virusgen zurück zur Zelle ist so gut wie immer mit Fehlern verbunden, sogenannten Mutationen, so dass die Zelle am Ende dieses Spiels ein tatsächlich verändertes Gen zusätzlich erhält, ein v-onc-Gen, ein virales Onkogen. Erst ein neu von aussen in die Zelle eindringendes Helfer-Retrovirus kann der Erbinformation des in der Wirtszelle integrierten Tumorvirus zum Verlassen der Zelle verhelfen. Es liefert zum Beispiel ein Kerngehäuse oder die Schale zur Verpackung.

Viele Tumorzellen produzieren in der Tat kein Virus – anders als beim HIV-Infizierten, dessen Lymphozyten täglich 1011 neue Viruspartikel ins Blut ausschütten. Beim Krebspatienten finden sich keine intakten Viren – höchstens Virusreste (Abb. 1). Im Labor versucht man deshalb durch Überinfektion einer Tumorzelle mit Helferviren schlummernde Virusreste zu aktivieren, was manchmal gelingt. Daraus schliessen wir, dass auch bei der menschlichen Tumorentstehung Viren mitwirken können.

Maulsperren errichten

Die Erforschung des Aids-Virus hat sich in unserem Labor auf dessen Vermehrung konzentriert, unter anderem auf die virale Reverse Transkriptase (Abb. 2). Diese baut nicht nur die DNA auf, sondern hat eine Zusatzeigenschaft, nämlich nach der Herstellung einer ersten DNA-Kopie die RNA-Vorlage zu zerstören.

Auf dem Wege von einzelsträngiger RNA zur Doppelhelix DNA entsteht ein RNA-DNA-Zwischenprodukt, ein Hybrid, dessen RNA durch eine von uns gefundene RNase H (H für Hybrid) abgebaut wird.

Die Analyse dieses Mechanismus auf molekularer Ebene ist seit vielen Jahren ein Fokus unserer Arbeit und hat dazu geführt, eine Art Maulsperre für die Reverse Transkriptase zu entwickeln. Dazu imitierten wir ein DNA-Stück, das der Reversen Transkriptase und der RNase H gleichzeitig das Handwerk legt. Diese Substanz, die bisher im Labor bestens wirkt, soll als nächstes in Mäusen und dann in Affen, dem einzigen wirklichen Aids-Tiermodell, getestet werden. Der Weg in die Klinik ist jedoch unsicher und noch sehr weit.

Abbildung 3: Das Raf-Gen, eine Kinase, überträgt Phosphate auf andere Proteine und signalisiert mittels einer ausgelösten Kinase-Kaskade dem Zellkern, dass Gene angeschaltet werden. Diese Gene können durch ungezügelte Raf-Kinase-Aktivität Krebs auslösen. Raf spielt jedoch nicht nur bei Krebs eine Rolle,	wie der ursprüngliche Befund andeutete, sondern nimmt eine zentrale Rolle in der Signalübertragung zahlreicher Prozesse ein, wie zum Beispiel dem normalen Wachstum, bei der Differenzierung, bei Alterungsprozessen, Gedächtnisvorgängen und Virusinfektionen.

Ausserdem versuchen wir wie zahllose KollegInnen die Herstellung eines Impfstoffes auf der Basis von nackter DNA. Diese wird im Reagenzglas mittels sogenannter Rekombination von Nukleinsäuren produziert und in den Muskel eines Tieres gespritzt. Die Impf-DNA trägt nur einige, niemals alle viralen Gene, so dass ein Virus vorgetäuscht wird, das die Immunantwort stimuliert, jedoch keine Virusvermehrung gestattet (Abb. 2). Es soll möglichst nicht mit der Zell-DNA verschmelzen. Die viralen Gene werden in Proteine umgesetzt und sollen vor allem die zelluläre Immunantwort ankurbeln.

Ein solcher Impfansatz wurde in Zusammenarbeit mit einer US-Firma vor einigen Jahren entwickelt und auch in Zürich im Universitätsspital an HIV-Infizierten erprobt. Die Impfstoff-DNA gilt als ungefährlich – aber als noch zu uneffizient. Zusammen mit Kollegen der ETH und einer Schweizer Firma soll deren Wirksamkeit gesteigert werden.

Auch auf Unterstützung der EU setzen wir Hoffnungen. Weiterhin ist die Entwicklung von Nachweisverfahren therapieresistenter Aids-Viren von Patienten ein erstrebtes Ziel der Virus-Diagnostik des Instituts.

Virales Onkogen

Onkogene sind ein Gebiet der Grundlagenforschung im Institut für Medizinische Virologie. Unsere Erforschung eines viralen Onkogens, Raf (für Rattenfibrosarkom), hatte vor einigen Jahren den Nachweis erbracht, dass Raf eine Proteinkinase ist, ein Enzym, welches andere Proteine mit Phosphatgruppen behängt, um diese dadurch ebenfalls in aktive Kinasen zu verwandeln. Auch diese leiten wiederum Phosphate weiter wie Stafettenläufer den Stab. Drei Läufern entspricht der Staffellauf in der Zelle, den das Onkogen Raf anschaltet, um der Zelle das Signal zur Zellteilung zu übermitteln.

Es zeigte sich, dass Raf eine zentrale Position im Netzwerk der Signalübertragung einnimmt und in sehr verschiedenen elementaren Prozessen eine Rolle spielt (Abb. 3), ausser bei Krebs auch bei normalem Zellwachstum, bei der Differenzierung von unreifen Vorläuferzellen in entwickelte Spezialzellen, die wir zum Beispiel in Zusammenarbeit mit der Philosophischen Fakultät II in Zürich an der Fliegenaugenentwicklung untersucht haben. Weiterhin induziert ein von aussen in normale Fibroblasten eingebrachtes Raf deren Alterungsprozess (Seneszenz). Raf kann ausserdem zum Zelltod (Apopthose) führen, wenn die Zelle an Nährstoffmangel leidet. Auch bei der Signalübertragung im Gehirn bei der Ausbildung des Gedächtnisses spielt Raf eine Rolle. Nicht zuletzt kann es aktiv werden, wenn eine Zelle von Viren infiziert wird.

Wachstum von Zellen kann durch Wachstumsfaktoren von aussen aktiviert werden, wobei verschiedene Typen von Rezeptormolekülen angeschaltet werden können, sogenannte 7-Transmembranrezeptoren (7TMR) oder Rezeptortyrosinkinasen (RTK) oder lymphzellenspezifische zweiteilige Rezeptoren (Abb. 3).

Tausende von Publikationen werden jährlich über die Raf-Kinase veröffentlicht. Dieser riesige Konkurrenzdruck macht uns die Suche nach neuen Erkenntnissen schwer. Einem Doktoranden gelang kürzlich der Nachweis eines «missing link», eines Abschaltmechanismus der Raf-Kinase, dessen Existenz man theoretisch für geregelte Zellvorgänge fordern musste, jedoch nicht kannte. Er identifizierte den dafür zuständigen Faktor.

Suche nach Therapieviren

Krebsviren als Träger von Onkogenen forderten die Phantasie der WissenschafterInnen heraus: Ist die Umkehrung möglich – ein Krebsvirus mit Onkogen in ein Therapievirus mit Therapiegen umzuwandeln? Dies erwies sich in der Tat als möglich (Abb. 1). Therapieviren werden seit einigen Jahren als Gentherapie für PatientInnen mit unheilbaren Krankheiten in der Klinik erprobt. Retroviren mit Therapiegenen sind dabei bisher in fast hundert verschiedenen Therapiekonzepten bei etwa 1200 PatientInnen eingesetzt worden.

Dieser Ansatz ist bedarf noch grosser Entwicklungsarbeit. Wir selber versuchen die Therapieviren so zu spezialisieren, dass sie nur in Tumorzellen aktiv sind und nicht in normalen Zellen des umliegenden Gewebes. Auch testen wir verschiedene Therapiegene aus auf der Suche nach dem wirksamsten Angriffspunkt. Es überraschte uns festzustellen, dass ein einzelnes Therapiegen zur Zerstörung eines Tumors nicht ausreichte, sondern zwei dazu nötig waren, von denen beide je ein Onkogen zerstörten.

Es ist eine neue Entwicklung, die Untersuchungsergebnisse über das Aids-Virus HIV oder die Onkogene von Tumoren nicht nur aus der Sicht der Grundlagenforschung anzugehen, sondern auch auszuloten, ob sich Ansätze zur Therapie oder verbesserter Diagnostik ergeben. Das Beispiel HIV hat gezeigt, dass die Gefahr von Infektionskrankheiten noch keineswegs gebannt ist. Auf dem Sektor der Krebstherapie ist ebenfalls mehr Erfolg dringend nötig.

Dr. Karin Mölling ist ordentliche Professorin für medizinische Virologie.

unipressedienst – Pressestelle der Universität Zürich
Nicolas Jene (upd@zuv.unizh.ch)
Last update: 29.06.99