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Herpesvirus in 3-D

Beim Herpes-simplex-Virus vom Typ 1 handelt es sich um einen komplexen, nur 180 bis 220 Nanometer großen DNA-Virus. Mehr als 90 Prozent der Weltbevölkerung sind damit durchseucht. Die als "Virion" bezeichneten infektiösen Partikel bestehen aus Tausenden von Einzelmolekülen. Das "Capsid", eine Proteinhülle mit ikosaedrischer Symmetrie (in der Darstellung hellblau), beherbergt ihre DNA. Über den Aufbau der asymmetrischen, das Capsid umgebenden äußeren Schichten des Virions, insbesondere über das so genannte "Tegument" (orange) sowie die mit Glycoproteinen reich besetzte Hüllmembran (blau) war bisher fast nichts bekannt. Dabei ist die molekulare Architektur der äußeren Schichten für die Infektion von Zellen äußerst wichtig.

Mit der Kryo-Elektronentomografie, einer Spezialform der Elektronenmikroskopie, sind Untersuchungen bis hinunter auf die Ebene von Zellorganellen sowie der dreidimensionalen Struktur möglich. Die Kryo-Elektronentomografie funktioniert ähnlich wie die Magnet-Resonanz-Tomografie: Die Untersuchungsobjekte werden im Elektronenmikroskop schrittweise um eine Achse rechtwinklig zum Elektronenstrahl gedreht und entsprechende Projektionsbilder aufgenommen. Aus 80 bis 100 dieser Bilder kann dann ein dreidimensionales Abbild errechnet werden. Durch die Kombination dieser Methode mit Gefriertechniken, bei denen die Probe schnell – ohne dass sich kristallines Eis bilden kann – eingefroren wird, lassen sich biologische Objekte in ihrem natürlichen Zustand mit hoher Auflösung untersuchen. Die Arbeitsgruppe um Prof. Wolfgang Baumeister am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried hat bei dieser Technik eine Pionierrolle inne. Ihnen gelang es im Jahr 2002 erstmals, die makromolekulare Architektur eukaryotischer Zellen mit Hilfe der Elektronentomografie darzustellen.

Die tomografischen Aufnahmen des Herpesvirus zeigen, dass die in der Hüllmembran eingebetteten Glycoproteine als Fortsätze (Spikes) unterschiedlicher Form und Länge aus der Membran herausragen und mit dem Tegument über nur etwa vier Nanometer breite Strukturen verbunden sind. Die ca. 650 Spikes sind so auf der Membran verteilt, dass die Wissenschaftler eine funktionale Anordnung vermuten. Das Tegument ist ein dichtes partikuläres Netzwerk und bildet eine asymmetrische Kappe – es nimmt etwa zwei Drittel des Membran-umschlossenen Volumens des Partikels ein. Diese Kappe formt an einer Seite eine etwa 35 Nanometer dicke Schicht zwischen Capsid und Membranhülle, während das Capsid an der gegenüber liegenden Seite in direktem Kontakt mit der Membran steht. Das Capsid hat folglich bei den Herpes-Partikeln eine exzentrische Position und ist mit dem Tegument an den Ecken des Ikosaeders verbunden.

Diese Beobachtungen werden den Forschern helfen zu verstehen, welche Rolle Tegument und Hüllmembran bei der Virus-Infektion von Zellen spielen.