Die für die Vermehrung der Paramyxoviren notwendige Freisetzung des Virusgenoms in die Wirtszelle findet nach einer Verschmelzung der Virushülle mit der Zellmembran statt. Die Membranfusion wird durch eine Konformationsänderung des membranständigen Fusionsproteins (F-Protein) der Paramyxoviren vermittelt. Der Auslöser der Strukturumwandlung des F-Proteins ist bislang unbekannt. Man nimmt an, daß eine Wechselwirkung mit dem zweiten membranständigen Protein der Hämagglutinin-Neuraminidase (HN-Protein) die Strukturumwandlung des F-Proteins induziert. Das F-Protein kann jedoch auch in Abwesenheit des HN-Proteins eine Membranfusion vermitteln. Für das Verständnis des Mechanismus der F-proteinvermittelten Fusion ist die Kenntnis der dreidimensionalen Struktur des F-Proteins notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurden die F-Proteine der Paramyxoviren, Sendaivirus und Simianvirus 5, in fusionskompetenter Form isoliert und in kleine Lipidvesikel rekonstituiert, um deren Struktur mittels Kryoelektronenmikroskopie und Einzelpartikelanalyse aufzuklären. Die 3D-Struktur des Sendaivirus-F-Proteins konnte mit einer Auflösung von 16 Angström aufgeklärt werden. Es ist die erste 3D-Struktur des F-Proteins eines Paramyxovirus in der fusionskompetenten Form. Um geeignete Bedingungen herauszufinden, die das Auslösen der Konformationsänderung der F-Proteine bzw. das "Einfangen" von Strukturintermediaten während der Fusion ermöglichen, wurde das Fusionsverhalten von Sendaivirus und Simianvirus 5 bei unterschiedlichen Temperatur- und pH-Werten sowie in Anwesenheit von Lysolipiden mittels Fluoreszenzdequenchingassays untersucht. Ein signifikanter Anstieg der Fusionsaktivität der untersuchten Viren konnte durch eine Erhöhung der Temperatur erreicht werden. Mittels ESR-Spektroskopie unter Einsatz von spinmarkierten Lysolipiden konnte gezeigt werden, daß Lysolipide die proteinvermittelte Fusion von Hüllviren in einem späten lipidabhängigen Schritt hemmen. Diese Untersuchungen bilden damit eine Grundlage zur Aufklärung der 3D-Struktur des F-Proteins im fusionsaktiven Zustand. Desweiteren wurde die Rolle der transmembranalen und zytoplasmatischen Domäne des F-Proteins bei der Membranfusion und der Wechselwirkung mit dem HN-Protein mittels Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Die Befunde der 3D-Strukturaufklärung und der fluoreszenzmikroskopischen Studien wurden unter anderem in Hinblick auf die Bedeutung der Wechselwirkung zwischen den F- und HN-Proteinen für die Fusion diskutiert. / Paramyxoviruses infect their host cells by fusion of the viral envelope with the cell membrane. The membrane fusion is mediated by a confomational change of a viral envelope glycoprotein called the fusion (F) protein. The trigger of the F protein conformational change is still unknown. It is suggested, that an interaction of the F protein with the second envelope glycoprotein hemagglutinin-neuraminase (HN) induces its conformational change. However the F protein can mediate membrane fusion in absense of HN. The knowledge of the three dimensional structure of the F protein is reqiured to understand the F mediated membrane fusion. In the present work the fusion competent form of the fusion proteins of the paramyxoviruses Sendai virus and Simian virus 5 were isolated and incorporated each of them into small lipid vesicles. The 3D-structure of the entire ectodomain of the Sendai virus F protein has been determined in fusion potential conformation by cryo electron microscopy of single molecules and 3D-reconstruction at a resolution of 16 Angström. To detect usefull conditions for triggering the conformational change of F, the fusion of Sendai virus and Simian virus 5 have been studied at different temperature and pH, respectively, using a fluorescence dequenching assay. A significant increase of virus fusion activity has been found due to temperature enhancement. Using ESR-spectroscopy and spin-labeled lysolipids it has been shown that lysolipids inhibit the protein mediated fusion of enveloped viruses at a late lipid-dependent intermediate. Thus lysolipids are capable to freeze a conformational intermediate of the F protein during fusion. Furthermore the role of the transmembrane and the cytoplasmic domain of the Sendai virus F protein for membrane fusion was investigated using fluorescence microscopy. The results of the fluorescence microscopy study and the detection of the 3D-structure have been discussed in view of the relevance of F-HN-interaction for membrane fusion.

Die Fusionsreaktion des Coronavirus MHV wird vom S-Protein vermittelt. In der vorliegenden Arbeit wurde der Eintrittsweg von MHV-A59 in Mauszellen untersucht. Die Infektivität kann durch lysosomotrope Substanzen und Inhibitoren der Clathrin-abhängigen Endozytose gehemmt werden. Der Eintritt von MHV-A59 in Mauszellen erfolgt über die Clathrin-abhängige Endozytose und setzt die anschließende Fusion der viralen und zellulären Membran bei niedrigem pH-Wert voraus. Fluoreszenzmikroskopische Studien zur Interaktion fluoreszenzmarkierter MHV-A59 Partikel mit Mauszellen bestätigen, dass MHV-A59 über Endozytose aufgenommen wird. Nach Bindung der Viren an die Zellen und anschließende Erniedrigung des pH-Wertes kommt es zur Färbung der Plasmamembran. Die Erniedrigung des pH-Wertes in Abwesenheit des Rezeptors führt zu einer irreversiblen Konformationsumwandlung im viralen Fusionsprotein, die die Inaktivierung der Fusionsaktivität und den Verlust der Infektivität zur Folge hat. Die Ergebnisse deuten auf die Beteiligung des endozytotischen Weges für den viralen Eintritt von MHV-A59 hin. Ein niedriger pH-Wert eines zellulären endosomalen Kompartiments induziert vermutlich die Konformationsänderung im S-Protein und löst die Fusionsreaktion aus. Ein vorläufiges 3D-Modell des S-Proteins von MHV-A59 konnte erstellt werden. Darüber hinaus wurde die Struktur und Fusionsfähigkeit des S-Proteins von SARS-CoV analysiert. Ein Zell-Zell-Fusionsassay konnte nachweisen, dass die Fusion zwischen S-Protein und ACE2-exprimierenden Zellen sowohl abhängig vom pH-Wert als auch von der proteolytischen Spaltung in S1- und S2-Untereinheit ist und durch Erniedrigung des pH-Wertes zusätzlich verstärkt werden kann. Im abschließenden Teil der Arbeit wurde auf Basis theoretischer Untersuchungen eine Vorhersage des mutmaßlichen Fusionspeptids des S-Proteins von MHV-A59, welches alle wesentlichen Merkmale eines internen Fusionspeptids aufweist, vorgenommen. Es liegt nahe der "Heptad-Repeat" (HR) Domäne HR1. / Fusion of the Coronavirus MHV-A59 is mediated by the viral S-protein. The entry pathway of MHV-A59 into murine cells was studied in this work. Infection was strongly inhibited by lysosomotropic compounds and substances interfering with clathrin-dependent endocytosis, suggesting that MHV-A59 is taken up via endocytosis and delivered to acidic compartments. Fluorescence microscopy of labeled MHV-A59 confirmed that the virus is taken up via endocytosis. When the virus was bound to cells and the pH was lowered to 5.0, we observed a strong labeling of the plasma membrane. Electron microscopy revealed low pH triggered conformational alterations of the S-ectodomain. These alterations are likely to be irreversible because low pH-treatment of viruses caused an irreversible loss of fusion activity. The results imply that endocytosis plays a major role in MHV-A59 infection and that the acidic pH of the endosomal compartment triggers a conformational change of the S-protein mediating fusion. Furthermore the conformation of the trimeric spike protein of the murine hepatitis virus A59 was characterized by cryoelectron microscopy. A preliminary 3D-reconsruction of the native structure could be accomplished. Besides we studied the structure and fusion capability of the spike protein expressed by SARS-CoV. The cell-based fusion assay revealed that fusion of spike protein and ACE2-receptor expressing cells was strongly dependent on low pH and on proteolytic cleavage of the S-protein into S1 and S2 subunit. Additionally fusion could be significantly increased by lowering of the pH. The theoretical part of the thesis allowed the identification of the putative fusion peptide, which showed main characteristics of internal fusion peptides. It allows the heptad regions of the spike protein to assemble in the six-helix bundle structure (6HB). This structure is of great importance to initiate the approximation of viral and cellular membrane and thus to induce fusion.