Die strukturelle Evolution der Dimer-Grenzfäche in Hepadnaviridae

• Antragstellerin: Professorin Dr. Bettina Böttcher
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530369173

Die Familie der Hepadnaviridae ist vor mehr als 400 Millionen Jahren entstanden. Die zugehörigen Viren sind umhüllt und infizieren die meisten Wirbeltiere, darunter Fische (Meta- und Parahepdanaviren), Amphibien, Reptilien (Herpetohepadnaviren), Vögel (Avihepadnaviren) und Säugetiere (Orthohepadnaviren). Das prominenteste Mitglied der Familie ist das humane Hepatitis-B-Virus mit weltweit rund 250 Millionen chronisch Infizierten. Alle Virionen der Hepadnaviridae haben Kapside, die aus mehreren Kopien eines einzigen Kapsidproteins (HBc) bestehen. Die Kapside sind von einer pleiomorphen Lipidhülle umgeben, die dicht mit Oberflächenproteinen (HBs) bepackt ist. HBc bildet dimere Bausteine, die an der internen Dimerisierungs-Grenzfläche herausstehenden Stacheln formen. Diese Stacheln interagieren mit HBs in der Lipidhülle. Phylogenetische Analysen und bekannte Strukturen zeigen, dass in Kapsiden nur der Kontakt zwischen den Dimeren konserviert ist nicht aber die interne Dimerisierungs-Grenzfläche und somit der herausragende Stachel. Die funktionale Interpretation ist, dass die Kapsidbildung evolutionär konserviert ist, aber die Umhüllung und Sekretion an ihre jeweiligen Wirte angepasst ist oder sich gemeinsam mit ihnen entwickelt haben. Während viele Strukturen von humanen HBc-Kapsiden bekannt sind, gibt es wenige andere Strukturen. Insbesondere fehlen Strukturen von Para-, Meta- und Herpetohepadnaviren. Der Vergleich von Kapsiden aus humanem HBc (Orthohepadnavirus) und Enten-HBc (Avihepadnavirus) zeigt, dass Avihepadnaviren zusätzliche Domänen haben, die sich zu beiden Seiten des Stachels falten. Es ist wahrscheinlich, dass diese Domänen mit HBs in der Hülle interagieren. Im Gegensatz dazu ist die Interaktion mit HBs in Orthohepadnaviren an der internen Dimerisierungs-Grenzfläche verortet. In diesem Fall tragen beide Monomere im Dimer zu einer gemeinsamen Bindestelle bei. Die veränderte Wechselwirkung mit der Hülle ist mit einer Reorganisation der internen Dimer-Grenzfläche verbunden. Dies wirft die Frage auf, wie sich die Dimerisierung und Bindung an HBs gemeinsam entwickelt haben. Um die Frage zu beantworten, werden wir repräsentative Strukturen von Kapsiden aus den verschiedenen Genera der Hepadnaviridae mit Elektronenkryomikroskopie und Bildverarbeitung bestimmen. Die Analyse beinhaltet auch Kapside von Paleoviren, die aus endogenen Fragmenten in den Genomen von Krokodil, Zebrafink und Melopsittacus rekonstruiert wurden. Diese Strukturen werden zeigen, wie sich die Stachel-Architektur im Laufe von geologischen Zeiträumen verändert hat. Schließlich wird die Bindung zwischen dem jeweiligen HBs und HBc mit Peptid-Spot-Array-Bibliotheken verortet und durch Mutationen validiert. Wir werden hier einen grundlegenden Aspekt der strukturellen Evolution der Hepadnaviridae experimentell beleuchten, der theoretischen Modellierungen wegen fehlender Referenzstrukturen und mangelnder Sequenzkonservierung unzugänglich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen