Bioinformatics Goes Viral

Viele alltägliche Krankheiten, aber auch viele der gefährlichsten und leider oft unheilbaren Krankheiten werden durch Viren verursacht. Mindestens 10 Prozent der weltweiten Todesfälle (ungefähr 60 Millionen Menschen jährlich) sind auf Virusinfektionen zurückzuführen. Wir müssen daher dringend mehr über die Anpassungsfähigkeit, Vermehrung und Evolution von Viren herausfinden. Denn Viren sind anders, als andere Lebensformen. Was macht sie so besonders? Und vor welche Herausforderungen stellen sie Biologen und Bioinformatiker?

Arbeitsgruppe: Prof. Manja Marz, Bioinformatik für Hochdurchsatzverfahren, FSU Jena

Wo beginnt eigentlich “Leben”?

Virionen nennt man die Form eines Virus außerhalb von Wirtszellen. Die Nukleinsäure ist von einer Proteinhülle umgeben. Manche Virenarten haben zusätzliche eine Lipidschicht.

Über die angsteinflößenden Schlagzeilen als Krankheitserreger hinaus, haben Viren und Bakterien wenig gemeinsam. Bei Viren sind sich Wissenschaftler nicht einmal einig, ob man von Lebewesen sprechen soll oder nicht. Viren besitzen nämlich keinen eigenständigen Stoffwechsel und sind daher auf einen Wirt angewiesen. Sie können sich auch nicht eigenständig vermehren. Viren bestehen hauptsächlich aus einem Stück Erbmaterial, also DNA oder RNA (beides Nukleinsäuren), auf dem die nötige Information zur Vermehrung gespeichert ist. Die Information wird von der Wirtszelle abgelesen und umgesetzt. Der Wirt vermehrt als das Virus. Die Frage, ob man bei einem Stück Nukleinsäure schon von Leben reden sollte, bleibt offen. Man kann einen Virus auch als eine Art „Programm“ in Form von Nukleinsäure betrachten. Dieses „Programm“ dient nur der eigenen Reproduktion und kann dabei (versehentlich) Schaden anrichten. Eben genau wie ein Computervirus.

Evolution im Zeitraffer

Viren aus RNA sind vermutlich die häufigere Viren Form. Sie können sich unglaublich schnell vermehren (lassen) und gleichzeitig ist die Vervielfältigung ihres Erbmaterials besonders fehleranfällig. Das führt zu vielen Mutationen und somit zu einer unvergleichlichen Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Wirtsorganismen. Viren schaffen es die kompliziertesten Abwehrmechanismen zu überwinden und die Wirkung von Medikamenten zu unterbinden. Für Grippe benötigt man deswegen jedes Jahr eine neue Impfung.

RNA-Viren sind für Millionen von Todesfällen verantwortlich. Epidemien oder gar Pandemien solcher Erkrankungen sind eine Bedrohung für Entwicklungs- und Industrieländer. Trotzdem ist die bioinformatische Analyse der Struktur, Funktion und Evolution von Viren bisher ein eher vernachlässigtes Forschungsgebiet. Die Bioinformatik-Arbeitsgruppen weltweit, die sich mit Viren beschäftigen, kann man wahrscheinlich an zwei Händen abzählen. Woran liegt das?

Sequenzanalyse — eines der ältesten (bio-)informatischen Forschungsgebiete

Alignment zweier RNA Sequenzen. Um die Ähnlichkeit zwischen zwei Sequenzen unterschiedlicher Länge bestimmen zu können, muss man die Sequenzen ausrichten (alignieren).

Um die Anpassungsfähigkeit, Vermehrung und Evolution der Viren zu verstehen, muss man deren Erbmaterial untersuchen. Das Erbmaterial, also DNA oder RNA, ist eine Kette aus Nukleinbasen. Als Bioinformatiker betrachtet man DNA und RNA nicht als Molekül (Nukleinsäure), sondern als eine Zeichenkette auf dem Alphabet der Nukleinbasen: A für Adenin, G für Guanin, C für Cytosin, T für Thymin und U für Uracil. Diese Zeichenketten (Sequenzen) zu ermitteln ist heutzutage mittels Hochdurchsatz-Technologien in unglaublich kurzer Zeit möglich. Es gibt unzählige (bio-)informatische Methoden, die entwickelt wurden, um Sequenzen zu analysieren. Das bekannteste Beispiel ist der Vergleich zweier Sequenzen, der dazu dient, die evolutionäre Distanz zwischen den beiden Sequenzen festzustellen. Je unähnlicher sich zwei Sequenzen sind, desto größer ist die Zeitspanne, die nötig war, damit aus der einen Sequenz die andere entstehen konnte.

Das Problem ist, dass Viren kaum mit den uns bekannten Lebensformen (deren Erbgut man normalerweise untersucht) zu vergleichen sind. Insbesondere für RNA-Viren können wir die bekannten Methoden nicht eins-zu-eins anwenden. Ihre Nukleinbasen-Ketten sind besonders kurz und weisen bereits große Unterschiede innerhalb eines einzelnen infizierten Menschen auf. Deswegen müssen wir für RNA-Viren maßgeschneiderte Algorithmen entwickeln, die deren Besonderheiten beachten.

RNA Struktur

Die zweidimensionale Struktur des Hepatitis-C-Virus. Die farbigen Linien sind Verbindungen, die noch über die zweidimensionale Struktur hinaus gehen.

RNA-Viren bestehen also einfach aus einem Stück RNA. Auch wir haben RNA in unserem Körper. Eine wesentliche Funktion der RNA ist es, die Informationen des Erbmaterials abzulesen und in Proteine umzusetzen. Da RNA im Gegensatz zu DNA ein einzelner Strang ist, können die Nukleinbasen noch weitere Verbindungen eingehen als schlichte Verkettung. Die zweidimensionalen Strukturen, die dadurch gebildet werden, ermöglichen der RNA viele regulierende Funktionen. Solche Strukturen sind häufig nach ihrer Form benannt, zum Beispiel Haarnadel oder Schleife. Besonders nichtcodierende RNAs (ncRNAs), die nicht in Proteine übersetzt werden, haben vielfältige regulierende Funktionen in den Zellen aller Lebewesen. Auch RNA-Viren bilden solche Strukturen und können damit in die Funktionen unserer Zellen eingreifen. So können sie unsere Zellen dazu benutzen, sich selbst zu vermehren. Gleichzeitig lösen sie Fehlfunktionen in der Zelle aus, die sich dann als Krankheit äußern. Deswegen müssen wir die RNA-Strukturen im Virus und im Wirtsorganismus besser verstehen. Der bioinformatischen Vorhersage solcher Strukturen wurde bisher zu wenig Beachtung geschenkt. Virale RNAs sind auf Grund ihrer kleinen Größe ein idealer Startpunkt um RNA-Strukturen zu untersuchen.

Die Arbeitsgruppe von Manja Marz hat bereits Methoden zur Vorhersage solcher zweidimensionalen Strukturen und Interaktionen in RNA-Viren entwickelt. Das Hepatitis-C-Virus (HCV) ist der Erreger der chronischen Hepatitis C. HCV gehört zu einer Gruppe von krebserregenden Viren (Epstein-Barr-Virus, Hepatitis-B-Virus, humanes Papillomvirus, …), die weltweit für 10 bis 15 Prozent aller Krebserkrankungen verantwortlich sind. Für das HCV konnten die Forscher bereits Strukturen vorhersagen, die eine wichtige Rolle in der Vermehrung der Viren spielen.

Viren sind echte Networker

Wann und wie Viren entstanden sind, ist noch ungeklärt und wird diskutiert: waren sie eher die Vorläufer des Lebens oder waren sie Gene (Abschnitte des Erbguts), die sich aus Lebewesen lösten? Die Erforschung von Verwandschaftsbeziehungen und stammesgeschichtlicher Entwicklung wird schon lange durch bioinformatische Vorhersagen angetrieben. Aber auch hier stellen Viren die Forscher wieder vor außergewöhnliche Herausforderungen:

• sie vermehren sich enorm schnell mit viel höheren Mutationsraten;
• sie können Gene zwischen verschiedenen Virenarten und auch dem Wirtsorganismus hin- und hertauschen;
• sie entwickeln sich gemeinsam mit dem Wirtsorganismus und es gibt kaum Viren-„Fossilien“.

Evolutionäre Beziehung werden in der Regel als Stammbäume dargestellt. Die evolutionäre Verwandtschaft zwischen verschiedenen Viren und Wirtsorganismen gleichen aber eher einem Netzwerk. Auch hier gibt es einen dringenden Bedarf an speziell an Viren angepassten, bioinformatischen Methoden.

Fight against Ebola

Der Nilflughund (Rousettus aegyptiacus) überträgt das Ebola-Virus, wird davon aber nicht beeinträchtigt.
(„Egyptian fruit bat baby“ by Mickey Samuni-Blank – Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons.)

Neben der Grundlagenforschung beschäftigen wir uns manchmal auch mit brandaktuellen Themen. Die Ebola-Epidemie in West-Afrika hält immer noch an. Diese Epidemie veranlasste die Arbeitsgruppe um Manja Marz zu einem spontanen Aufruf, gemeinsam gegen Ebola zu kämpfen. Wie es für uns als Bioinformatiker üblich ist, natürlich am Computer. Um die 40 Bioinformatiker und Virologen aus Deutschland, Österreich und Dänemark setzten sich eine Woche lang fast Tag und Nacht zusammen, um die Unterschiede zwischen Fledermaus und Mensch in Bezug auf das Virus zu erforschen. Denn Ebola ist gefährlich für Menschen — nicht aber für Fledermäuse. Der Nilflughund (Rousettus aegyptiacus) ist ein Reservoirwirt für Ebola. Er überträgt das Virus, wird davon aber nicht (in Form von Krankheiten) beeinträchtigt. Das Team hat die RNA Sequenzen von Ebola-Virus infizierten menschlichen und Fledermaus-Zellen am Computer verglichen. Dabei fanden die Forscher unter anderem heraus, dass sich die Viren in menschlichen Zellen schneller vermehren als in Fledermaus-Zellen. Außerdem wird das Immunsystem zwar in beiden Tieren aktiviert, reagiert aber unterschiedlich auf die Infektion mit Ebola.

Heilung durch Viren

Seit einiger Zeit sind Forscher auf die Idee gekommen, sich die Eigenschaften von Viren zu Nutze zu machen. Viren sind Informationsträger, die sich in Zellen einschleusen lassen. Zum Beispiel kann man die Information „Zelle vernichten“ gezielt in Krebszellen einschleusen. Die Viren vermehren sich und zerstören die Krebszellen innerhalb von Stunden oder Tagen. Noch sind diese Medikament nicht zur Krebsbehandlung zugelassen, aber sie zeigen, dass auch im Schreckgespenst Virus ein Funken Hoffnung steckt.

Publikationen:

• M. Marz, N. Beerenwinkel, C. Drosten, M. Fricke, D. Frishman, I. L. Hofacker, D. Hoffmann, M. Middendorf, T. Rattei, P. F. Stadler, and A. Töpfer.
  Challenges in RNA virus bioinformatics.
  Bioinformatics, 30(13):1793–1799, 2014.
• M. Fricke, N. Dünnes, M. Zayas, R. Bartenschlager, M. Niepmann, and M. Marz.
  Conserved RNA secondary structures and long-range interactions in hepatitis C viruses.
  RNA, 21(7):1219-32, 2015.