Viperin
(von englisch virus-inhibitory protein, endoplasmic reticulum-associated, interferon-inducible). Durch Virus-Infektionen oder Interferone induziertes Protein von Wirbeltieren mit breiter antiviraler Wirkung gegen DNA-Viren (humanes Cytomegalievirus), Retroviren (HIV) sowie einige RNA-Viren [Zika-Virus, Dengue-Virus, Influenza-Viren (siehe Grippe), Tollwutviren u. a.][1,2].
Viperin ist Bestandteil der angeborenen Immunantwort. Seine Expression wird durch molekulare Muster wie DNA, RNA oder Lipopolysaccharide induziert. Als Mitglied der Familie der Radikal-SAM-Enzyme katalysiert Viperin die enzymatische Bildung von 3′-Desoxy-3′,4′-didehydrocytidintriphosphat (ddhCTP, siehe 3′-Desoxy-3′,4′-didehydroribonucleotide), einem Terminator der RNA-Synthese durch bestimmte virale RNA- oder DNA-abhängige RNA-Polymerasen[3,4]. Weitere antivirale Wirkungen von Viperin beruhen auf Protein-Protein-Interaktionen mit zellulären oder viralen Proteinen. Viperin wurde 1997 im Zusammenhang mit der Abwehr von Infektionen durch das Cytomegalievirus entdeckt[5,6].
radical SAM domain-containing protein 2 (RSAD2); | |
Proteinstruktur
Die Primärstruktur von Viperin ist innerhalb der Wirbeltiere stark konserviert[6]. Eine variable N-terminale amphipathische α-Helix verankert das Protein an der cytoplasmatischen Seite der Membran des Endoplasmatischen Retikulums, dem Ort des Assemblierens bestimmter Virionen, und ist für die antivirale Aktivität bedeutsam[7,8]. Die zentrale, stark konservierte S-Adenosylmethionin-bindende Domäne zeigt die für die Familie der Radikal-SAM-Enzyme typische partielle β-Barrel-Struktur [(βα)6-Struktur] und enthält das typische Tricystein-Motiv (CxxxCxxC) für die Bindung eines [4Fe-4S]-Eisen-Schwefel-Clusters. Die ebenfalls konservierte C-terminale Domäne zeigt Sequenzähnlichkeit zur Nucleotid-bindenden Domäne der an der Molybdopterin-Synthese beteiligten GTP-3′,8-Cyclase MoaA und ist bedeutsam für die Bindung von CTP (Cytidin-5′-triphosphat) als Substrat[9].
Wirkmechanismen
Viperin zeigt multiple antivirale Aktivität, wobei die Relevanz von enzymatischer Aktivität und Protein-Protein-Interaktionen je nach Virus zu variieren scheint[1].
Abbildung: Die antivirale Wirkung von Viperin beruht auf seiner Aktivität als Radikal-SAM-Enzym sowie auf Protein-Protein-Interaktionen mit Komponenten der Signaltransduktion bzw. Ubiquitin-Protein-Ligasen[1,10]; ddhCTP = 3′-Desoxy-3′,4′-didehydrocytidintriphosphat (siehe 3′-Desoxy-3′,4′-didehydroribonucleotide); CTP = Cytidin-5′-triphosphat; Ub = Ubiquitin; TRAF6, siehe TRAF; IRAK1 = interleukin-1 receptor associated kinase 1; NEMO = NF-kB essential modulator; MAPK = Mitogen-aktivierte Protein-Kinase; IRF7 = interferon-regulatory factor 7; NF-κB.
– Als Radikal-SAM-Enzym katalysiert Viperin die Biosynthese von 3′-Desoxy-3′,4′-didehydrocytidintriphosphat (ddhCTP) (siehe Abbildung)[3]:
CTP + S-Adenosylmethionin → ddhCTP + 5′-Desoxyadenin + Methionin
Seine spezifische Enzymaktivität wird durch Interaktion mit Komponenten der zellulären Signaltransduktion signifikant erhöht.
– Viperin moduliert Signalwege, die im Rahmen der angeborenen Immunantwort aktiv sind, durch Interaktion mit speziellen an der Signaltransduktion beteiligten Proteinen und verstärkt so die Produktion der Interferone vom Typ I: Bei der den Toll-ähnlichen Rezeptoren TLR7 und TLR9 nachgeschaltete Signaltransduktion bildet Viperin einen ternären Komplex mit der Kinase IRAK1 und der E3-Ubiquitin-Protein-Ligase TRAF6, infolgedessen wird unter anderem IRAK1 verstärkt ubiquitiniert und somit aktiviert (siehe Abbildung)[11]. Im Rahmen der Abwehr cytosolischer DNA bildet Viperin einen Komplex mit STING (siehe cyclisches GMP-AMP) und der Protein-Kinase TBK1, wodurch deren Aktivierung durch Ubiquitinierung gefördert wird[12].
– Viperin hemmt den Transport sekretorischer Proteine vom Endoplasmatischen Retikulum zum Golgi-Apparat und kann so bei bestimmten Viren die Ausschleusung von Virionen beeinträchtigen[13]. Der molekulare Mechanismus ist noch nicht geklärt.
– Viperin interagiert mit viralen Proteinen[13]. Die Bindung an die virale Protease NS3 fördert bei gegen Viperin sensitiven Viren deren Abbau am Proteasom. Die Bedeutung weiterer Interaktionen mit viralen Proteinen ist noch nicht abschließend geklärt, neben einer hemmenden Wirkung auf die Virenvermehrung wird eine Hemmung der Enzymaktivität von Viperin durch virale Proteine diskutiert[14].
Andererseits kann Viperin vom humanen Cytomegalievirus für seine Vermehrung ausgenutzt werden: In mit Cytomegalieviren infizierten Zellen transloziert Viperin in Mitochondrien, wo es mit dem mitochondrialen trifunktionellen Protein interagiert und dessen Funktion als Thiolase hemmt. Durch den in der Folge gesenkten zellulären ATP-Spiegel wird das Cytoskelett destabilisiert und die Freisetzung von Virionen erleichtert[15].
Evolution
Zu RSAD2 homologe Gene finden sich auch bei eukaryontischen Mikroorganismen und einer Vielzahl von Archaea und Bakterien. Einige der prokaryontischen Homologen sind in räumlicher Nähe zu Komponenten der Abwehr fremder Nucleinsäuren wie CRISPR/Cas (siehe CRISPR/Cas-System) oder Restriktionsenzymen codiert. Die prokaryontischen Viperin-Homologen synthetisieren unterschiedliche 3′-Desoxy-3′,4′-didehydroribonucleotide, neben ddhCTP auch ddhGTP und ddhUTP. Die Expression von Viperin-Homologen einschließlich des humanen Viperins schützt Escherichia coli vor Infektion mit dem Phagen T7. Die Viperine gelten deshalb als während der Evolution konservierte Komponenten der Virenabwehr. Anhand der Primärstruktur werden eukaryontische Viperine als monophyletische Gruppe angesehen, die größte Ähnlichkeit zu den Viperin-Homologen von Archaea zeigt[4].
Literatur
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[13] Lindqvist, R.; Överby, A. K., DNA Cell Biol., (2018) 37, 725–730; https://doi.org/10.1089/dna.2018.4328 [Prüfdatum 10.02.2022]
[14] Ghosh, S.; Patel, A. M.; Grunkemeyer, T. J.; Dumbrepatil, A. B.; Zegalia, K.; Kennedy, R. T.; Marsh, E. N. G., Biochemistry, (2020) 59, 780–789; https://doi.org/10.1021/acs.biochem.9b01090 [Prüfdatum 10.02.2022]
[15] Seo, J. Y.; Yaneva, R.; Hinson, E. R.; Cresswell, P., Science, (2011) 332, 1093–1097; https://doi.org/10.1126/science.1202007 [Prüfdatum 10.02.2022]
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