Im Vergleich zu anderen Retroviren, zeichnen sich Foamyviren durch eine Reihe von Eigenschaften aus, die sie besonders attraktiv für die Vektorentwicklung und somatische Gentherapie machen. Foamyviren exprimieren ihr Pol Prekursorprotein unabhängig von Gag, d.h. von ihrer eigenen gespleisten mRNA. Zwar ist der genaue Pol-Verpackungsmechanismus von Foamyviren noch nicht vollständig aufgeklärt, frühere Studien zeigten jedoch, dass die prägenomische RNA essentiell für die Pol-Enkapsidierung ist. Zwei Pol-Verpackungssequenzen (PES) wurden identifiziert, welche sich in den cis-aktiven Sequenzen (CAS) der prägenomischen RNA befinden (Heinkelein et al., 1998; Peters et al., 2005). In dieser Arbeit wurde untersucht, ob die PESI und PESII Sequenzen alleine ausreichend für die Pol-Verpackung sind. Zusätzich wurde der Einfluss von verschiedenen Teilen der ca. 2000 nt langen CASII Sequenz auf den Vektortransfer ohne Verlust der Pol-Enkapsidierung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass PESI und PESII alleine nicht ausreichend für die Pol-Verpackung ins foamyvirale Partikel sind. Die Verkürzung des CASII Elements zeigte keinen Effekt auf die Pol-Verpackung und den Vektortransfer. Das Einfügen eines zusätzlichen zentralen Polypurintraktes führte jedoch zur signifikanten Erhöhung der Transduktionseffizienz von FV Vektoren. Diese Ergebnisse führten zur Entwicklung eines neuen foamyviralen Vektors (pTW01), der ca. 850nt kürzer ist als die früher etablierten FV Vektoren, aber immer noch die gleiche Transduktionseffizienz auf Fibroblasten und humanen Stammzellen zeigt. Dieser Vektor mit einer höheren Verpackungskapazität und Sicherheit, eignet sich hervorragend für den Einsatz in gentherapeutischen Studien. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass eine heterologe Verpackung zwischen zwei unterschiedlichen Foamyviren (PFV und SFVmac) zu einem geringen Prozentsatz stattfindet. Als erster Schritt in der Entwickung eines neues Systems für eine einfache und kostengünstige Vektorvirusproduktion wurde gezeigt, dass die Expression der foamyviralen Gag, Pol und Env Proteine in Saccharomyces cerevisiae stattfinden kann. / Foamy viruses harbor some unique features which make them, compared to other retroviruses, especially attractive for vector development and somatic gene therapy. Foamy viruses express their Pol precursor protein independently of Gag, i.e. from their own spliced mRNA. While the exact mechanism by which Pol is incorporated into the foamy virus particle is still unknown, previous studies have shown that pregenomic RNA is essential for Pol incorporation. Two cis-active sequences (CAS) were identified, within which two essential Pol encapsidation sequences (PES) were mapped (Heinkelein et al., 1998; Peters et al., 2005). Using the prototype foamy virus (PFV) as a model, this work investigated whether the previously identified PESI and PESII sequences in an FV vector are alone sufficient for Pol encapsidation. Additionly, the influence of various parts of the 2000 bp CASII sequence on vector transfer efficiency without the loss of Pol encapsidation was studied. The obtained results indicate that the PESI and PESII alone are not sufficient for Pol incorporation into a foamy virus particle. The truncation of the CASII element has no effect on Pol incorporation and vector transfer. However, if an additional central poly purine tract is generated into a foamy virus vector, it significantly increases the FV vector transduction rate. These results led to a generation of an improved foamy virus vector (pTW01), about 850 bp shorter than the previously established vectors, yet still as effective in transducing fibroblasts and primary human cells. These data add to the packaging limit of the PFV vectors for gene therapy, as well as to the safety of these vectors. In addition to these findings, it was shown that the cross-packaging between two different foamy viruses (PFV and SFVmac) takes place very rarely. Finally, as a first step in finding a new low-cost possibility to produce large amounts of vector viruses, it was shown that an expression of the three foamy virus proteins: Gag, Pol and Env can take place in Saccharomyces cerevisiae.

Foamyviren gehören zur Familie der Retroviren und sind in vielen verschiedenen Primaten-Spezies prävalent. Auch einzelne Foamyvirus-Infektionen des Menschen sind nach engem Kontakt zu Primaten beschrieben worden. Untersuchungen auf molekularer Ebene lagen bisher nur für Foamyviren der Altweltaffen vor. In der vorliegenden Arbeit wurde die komplette Nukleotidsequenz des Neuweltaffen-Foamyvirus des Klammeraffens (SFVspm) entschlüsselt und molekular charakterisiert. DNA wurde aus SFVspm infizierten Zellen isoliert. Ausgehend von einem 425 bp langen bekannten Abschnitt des Integrase-Gens wurde das foamyvirale Genom mithilfe der Polymerasekettenreaktion in fünf Abschnitten amplifiziert. Die Primer wurden anhand konservierter Sequenzen im SFV-Genom generiert. Die Genomabschnitte des 5’-Endes bis zum Integrase-Gen von SFVspm wurden in Plasmidvektoren kloniert und anschließend sequenziert, die Genomabschnitte vom Integrase-Gen zum 3’-Ende wurden direkt nach der PCR-Amplifikation sequenziert. Die Sequenzen der einzelnen SFVspm-Fragmente wurden zu einem zusammenhängenden Genom zusammengesetzt, wobei die Consensus-Sequenz aus mindestens drei unabhängigen Sequenzierungen pro Nukleotid ermittelt wurde. Anhand von Homologie-Vergleichen konnte das SFVspm mit einer Größe von 12212 bp als komplexes Retrovirus der Unterfamilie der Spumaretrovirinae identifiziert werden. Es besitzt alle konservierten Protein-Domainen, die charakteristisch für Primaten-Foamyviren sind. SFVspm stellt somit das erste vollständig sequenzierte und molekulargenetisch charakterisierte Neuweltaffen-FV dar. Zur Entwicklung eines diagnostischen Tests zum Nachweis einer SFVspm-Infektion wurde ein 765 bp langer Abschnitt des gag-Gens als Antigen exprimiert und ein Antikörper im Kaninchen-Serum generiert. In einem Western Blot zeigte sich für eine Detektion von SFVspm-Gag-Antigen bzw. Anti-SFVspm-Gag eine gute Spezifität und Sensitivität. Die auf Western Blot basierte Methodik wurde schließlich in Kombination mit einer PCR des Integrase-Gens zum Nachweis einer Infektion mit Neuweltaffen-Foamyvirus in Callithrix spp. angewandt. Es wurden Seren und Lymphozyten-DNA zwölf verschiedener Callithrix-Affen, sowie Gewebeproben aus Milz, Leber und Mundschleimhaut untersucht, wobei in keinem Tier eine SFV-Infektion nachgewiesen werden konnte. Da Foamyviren aufgrund ihrer genetischen Stabilität interessante Marker für phylogenetische Untersuchungen sind, wurden anhand der Kenntnis der Genomsequenz von SFVspm und fünf Altweltaffen-FV phylogenetische Stammbäume basierend auf Nukleotid- und Aminosäuresequenzen und der Maximum-Likelihood-Methode gezeichnet und SFVspm evolutionär eingeordnet. SFVspm zeigte sich als das evolutionär divergenteste Foamyvirus aus der Teilordnung der Primaten-Foamyviren. Dies spiegelt die phylogenetische Auftrennung ihrer Wirte, der Altweltaffen und Neuweltaffen, wider und bekräftigt eine gemeinsame Evolution von Foamyviren und ihren Wirten. / Foamy viruses belong to the family of retroviruses and have been described to be prevalent in a wide variety of primates species with each species harboring a unique specific strain of SFV. Foamyvirus infections have also been described in humans who were in close contact to primates. Up to now molecular analysis has only been reported for old world simian foamy viruses. In this work the complete nucleotide sequence of the new world simian foamy virus from spider monkey (SFVspm) was determined and its molecular structure characterised. DNA was isolated from cells infected with SFVspm. Starting from a 425 bp long known region of the integrase gene, the foamy viral genome was amplified with polymerase chain reaction in five steps. Primers were designed according to relatively conserved regions in the genome of SFV. Genome fragments between the 5'LTR up to the integrase gene were cloned into plasmid vectors and their sequences were elucidated. The 3' end of the genome was determined by direct nucleotide sequencing of the PCR product. Genome assembly was based on at least three independently sequenced nucleotides and led to a SFVspm genome size of 12212 bp. Homology comparisons identifed the SFVspm genome as a complex retrovirus of the Spumaretrovirinae. It contains all conserved protein motifs described to be conserved among simian foamy viruses. SFVspm is the first completely sequenced and characterised new world simian foamy virus. A diagnostic test for the detection of SFVspm infection was developed. A 765 bp long fragment of the gag gene was used for the expression of antigen and a SFVspm Gag antibody was generated by the immunization of rabbits. SFVspm Gag antigen was detected with the sera containing anti-SFVspm Gag in Western Blot analysis with good specificity and sensitivity. Diagnostic tests based on Western Blot and PCR amplication of the integrase gene were performed for the detection of an infection with a New World simian foamy virus in Callithrix. Sera and DNA isolated from lymphocytes of 12 Callithrix, as well as tissue samples of spleen, liver and oral mucosa were tested, but no SFV infection could be detected. Because of their high genetic stability, foamy viruses can be taken as markers for phylogenetic analysis. Phylogenetic trees were created based on the nucleotide and amino acid sequences of SFVspm and five old world simian foamy viruses. SFVspm is the most divergent primate foamy virus known to date. This reflects the long-term phylogenetic separation of old world and new world primate host species– and confirms a co-evolution of foamy viruses and their hosts.

Foamyviren enthalten vier zentrale purinreiche Sequenzen, die Elemente A bis D. Bekannt sind solche auch bei anderen Retroviren, u.a. bei HIV, wo der cPPT (central polypurine tract) für eine effektive Replikation benötigt wird und eine Kopie des 3´PPT darstellt. Bei FV ist nur das Element D sequenzidentisch zum 3´PPT, welcher sich bei allen Retroviren findet und von welchem die Plusstrang-Synthese bei der Bildung der cDNA intiiert wird. Vermutet wurde daher für das Element D, das es einen zweiten Initiationsort für die Plusstrang-Synthese darstellt und analog zum cPPT bei HIV die Replikation zu beschleunigen vermag. Um die Funktion der purinreichen Sequenzen zu verstehen, führten wir Mutationen in die Elemente A bis D ein und untersuchten sie im infektiösen Volllängenklon sowie im Vektorkontext; zusätzlich analysierten wir die viralen Proteine in infizierten Zellen und Viruspartikeln. / Foamy viruses contain four central purine-rich sequences, namely element A, B, C and D. Such sequences are also known in other retroviruses, for example in HIV, which harbours a cPPT (central polypurine tract) that is needed for effective replication and is an exact copy of the 3´PPT. In FV only element D is a copy of the 3´PPT, which is essential for reverse transcription as it is the initiation site for plus strand DNA synthesis. Therefore, element D is thought to serve as a second initiation site for plus strand DNA synthesis in order to accelerate viral replication. We mutated the four purine-rich elements and analysed them in vector and infectious virus context to determine their role; furthermore we investigated viral protein production in infected cells and viral particles.

Die Arbeit erläutert Gemeinsamkeiten und Unterschiede des felinen Foamyvirus FFV zu anderen Foamyviren und vergleicht die Replikationsstrategie mit der der Orthoretroviren und Hepadnaviren.

Die Arbeit erläutert Gemeinsamkeiten und Unterschiede des felinen Foamyvirus FFV zu anderen Foamyviren und vergleicht die Replikationsstrategie mit der der Orthoretroviren und Hepadnaviren.

Foamyviren (FV) gehören zur Familie der Retroviridae, werden aber aufgrund besonderer Eigenschaften in eine eigene Unterfamilie, die Spumaretrovirinae, eingeordnet. FV besitzen vor allem in vitro einen sehr breiten Tropismus, so dass bisher keine Zelllinie bekannt war, die nicht durch FV infiziert werden konnte. Obwohl diese Besonderheit darauf schließen lässt, dass ein sehr ubiquitäres Molekül auf der Wirtszelloberfläche für die FV-Bindung verwendet wird, ist der Rezeptor für die Virus-Aufnahme noch nicht bekannt. Dass FV einen pH-abhängigen Aufnahmemechanismus verwenden, lässt eine endozytotische Aufnahme vermuten. Dennoch sind die frühen Replikationsschritte, die zur Fusion der viralen und Wirtszellmembran führen, nur unzureichend charakterisiert. Deswegen wurden in der vorliegenden Arbeit funktionelle autofluoreszierende FV hergestellt, um die Bindung und Aufnahmemechanismen foamyviraler Partikel in Wirtszellen mit fluoreszenzmikroskopischen Analysen zu untersuchen. Mit diesen Methoden konnten erstmalig vier Zelllinien identifiziert werden, die nicht mit FV infizierbar sind, und damit mögliche Kandidaten für die Identifizierung des unbekannten FV Rezeptors darstellen. Des Weiteren wurden die fluoreszierenden FV erfolgreich eingesetzt, um die Fusionsereignisse zwischen viraler und zellulärer Membran in Echtzeit in lebenden Zellen zu untersuchen. Die durchgeführte „Single Virus Tracking“-Analyse zeigte, dass PFV (Prototype FV) Env-tragende Partikel sowohl an der Plasmamembran als auch in vermeintlichen Endosomen fusionieren können, wohingegen SFV (Simian FV) Env-tragende Partikel die Fusion wahrscheinlich nur in Endosomen auslösen können. Hinweis zur Nutzung der Filmdateien: Öffnen mit QuickTimePlayer bzw. ImageJ

Foamyviren (FV) gehören zur Familie der Retroviridae, werden aber aufgrund besonderer Eigenschaften in eine eigene Unterfamilie, die Spumaretrovirinae, eingeordnet. FV besitzen vor allem in vitro einen sehr breiten Tropismus, so dass bisher keine Zelllinie bekannt war, die nicht durch FV infiziert werden konnte. Obwohl diese Besonderheit darauf schließen lässt, dass ein sehr ubiquitäres Molekül auf der Wirtszelloberfläche für die FV-Bindung verwendet wird, ist der Rezeptor für die Virus-Aufnahme noch nicht bekannt. Dass FV einen pH-abhängigen Aufnahmemechanismus verwenden, lässt eine endozytotische Aufnahme vermuten. Dennoch sind die frühen Replikationsschritte, die zur Fusion der viralen und Wirtszellmembran führen, nur unzureichend charakterisiert. Deswegen wurden in der vorliegenden Arbeit funktionelle autofluoreszierende FV hergestellt, um die Bindung und Aufnahmemechanismen foamyviraler Partikel in Wirtszellen mit fluoreszenzmikroskopischen Analysen zu untersuchen. Mit diesen Methoden konnten erstmalig vier Zelllinien identifiziert werden, die nicht mit FV infizierbar sind, und damit mögliche Kandidaten für die Identifizierung des unbekannten FV Rezeptors darstellen. Des Weiteren wurden die fluoreszierenden FV erfolgreich eingesetzt, um die Fusionsereignisse zwischen viraler und zellulärer Membran in Echtzeit in lebenden Zellen zu untersuchen. Die durchgeführte „Single Virus Tracking“-Analyse zeigte, dass PFV (Prototype FV) Env-tragende Partikel sowohl an der Plasmamembran als auch in vermeintlichen Endosomen fusionieren können, wohingegen SFV (Simian FV) Env-tragende Partikel die Fusion wahrscheinlich nur in Endosomen auslösen können. Hinweis zur Nutzung der Filmdateien: Öffnen mit QuickTimePlayer bzw. ImageJ