Enterobakteriophage MS2

Genom

Das MS2-Genom ist eines der kleinsten bekannten Genome, bestehend aus 3569 Nukleotiden einzelsträngiger RNA.^[10]

Es kodiert nur vier Proteine: das Reifungsprotein (A-Protein), das Lyse-Protein, das Kapsidprotein (CP) und das Replikase-Protein (RdRp).^[6] Das Gen lys, das das Lyse-Protein kodiert, überlappt sowohl das 3'-Ende des Upstream-Gens cp (für CP), als auch das 5'-Ende des Downstream-Gens rep (für RdRp) und war eines der ersten bekannten Beispiele für überlappende Gene. Das positivsträngige RNA-Genom dient als Messenger-RNA und wird übersetzt, nachdem das Virus in der Wirtszelle von seinem Kapsid befreit wurde.

Obwohl die vier Proteine von derselben Messenger-RNA (d. h. Virus-RNA) kodiert werden, werden sie nicht alle auf den gleichen Ebenen exprimiert (Details s. u.).

Die Expression dieser Proteine wird durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen Translation und RNA-Sekundärstruktur reguliert.

Kapsidstruktur

Die MS2-Virionen (Viruspartikel) haben einen Durchmesser von etwa 27 nm, wie durch Elektronenmikroskopie bestimmt wurde.^[14]

Ein MS2-Partikel besitzt eine Kopie des Reifungsproteins A und 180 Kopien des Kapsidproteins CP (organisiert in 90 Dimeren), die in einem ikosaedrischen Kapsid mit der Triangulationszahl T=3 angeordnet sind, um das RNA-Genom im Inneren zu schützen.^[15]

Die Struktur des Kapsidproteins ist ein fünfsträngiges β-Faltblatt (β-sheet) mit zwei α-Helices und einer Haarnadel (hairpin). Nach Zusammenbau des Kapsids sind die Helices und die Haarnadel der Außenseite des Viruspartikels zugewandt, während das β-Sheet der Innenseite zugewandt ist.^[16]

Wirkungsweise

MS2 infiziert Enterobakterien, die den Fertilitätsfaktor F aufweisen. Dies ist ein Plasmid, mit dem die Bakterienzellen als DNA-Spender bei der bakteriellen Konjugation dienen können. Gene auf dem F-Plasmid führen zur Produktion eines F-Pilus (auch Sexpilus genannt), der als viraler Rezeptor (DNA-Empfänger) dient. MS2 bindet sich über sein einziges Reifungsprotein an die Seite des Pilus. Der genaue Mechanismus, durch den Phagen-RNA in das Bakterium eindringt, ist noch unbekannt.^[6]

Sobald die virale RNA in die Zelle eingedrungen ist, beginnt sie als Messenger-RNA für die Produktion von Phagenproteinen zu fungieren. Das Gen cp für das am häufigsten vorkommende Protein, das Kapsidprotein CP, kann sofort übersetzt werden. Der Translationsstart (Start-Codon) des Replikasegens rep ist dagegen normalerweise in der RNA-Sekundärstruktur verborgen, kann aber vorübergehend geöffnet werden, wenn Wirts-Ribosomen durch das Gen des Kapsidproteins laufen. Die Replikase-Translation wird ebenfalls abgebrochen, sobald große Mengen an Kapsidprotein hergestellt wurden. Dimere des Kapsidproteins binden und stabilisieren die RNA-Operator-Hairpin, wodurch der Replikase-Start blockiert wird. Der Start des Reifungsproteingens mat ist in der RNA zugänglich, die repliziert wird, aber in der RNA-Sekundärstruktur der fertigen MS2-RNA versteckt ist. Dies gewährleistet die Translation von nur sehr wenigen Kopien des Reifungsproteins pro RNA. Schließlich kann die Übersetzung des Lyseproteingens nur durch Ribosomen gestartet werden, die die Translation des Kapsidproteingens abgeschlossen haben.^[6]

Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die einzelnen Teilschritte der Virusvervielfältigung (RNA-Replikation, Bildung des Kapsidproteins und schließlich Lyse (Auflösung) der Wirtszelle) in der richtigen Reihenfolge ablaufen.

Die Replikation des Plus-Strangs des MS2-Genoms erfordert die Synthese der komplementären Minus-Strang-RNA, die dann als Vorlage für die Synthese einer neuen Plus-Strang-RNA verwendet werden kann. Weil die MS2-Replikase schwer zu isolieren ist, wurde die MS2-Replikation viel weniger gut untersucht als die Replikation des nahe verwandten Bakteriophagen Qβ, dürfte aber sehr ähnlich sein.^[6]

Es wird angenommen, dass die Bildung des Virions durch die Bindung von Reifungsprotein an die MS2-RNA ausgelöst wird. Nachweislich ist schon der Komplex aus Reifungsprotein und RNA infektiös. Der Aufbau des ikosaedrischen Kapsids aus Kapsidproteinen kann auch in Abwesenheit von RNA erfolgen, hierbei erfolgt die Kapsidanordnung durch Anbindung des Kapsidprotein-Dimer an die RNA-Operator-Hairpin, so dass die Gesamtstruktur kernhaltig (mit der Virus-RNA) gebildet wird. Wenn MS2-RNA vorhanden ist, erfolgt die Montage auch schon bei viel niedrigeren Konzentrationen an Kapsidprotein.^[6]

Bakterienlyse und Freisetzung neu gebildeter Virionen geschieht, wenn sich genügend Lyseprotein angesammelt hat. Das Lyseprotein bildet Poren in der zytoplasmatischen Membran (Bakterienhülle), was zum Verlust des Membranpotentials und zum Abbau der Zellwand führt.^[6]