1. Den Viren ein Schnippchen schlagen:
Wie unser immunsensorisches System Erreger beseitigt
Prof. Dr. med. Gunther Hartmann
Bonn Cluster of Excellence

2. Die Angst vor Viren

3. Viren tricksen uns immer wieder aus!

4. Virus: unsichtbar, unberechenbar, tödlich

5. Das Ziel der Viren: die Zellen
Zelle
Zellkern

6. Die Zelle umprogrammiert: Virusproduktion
Aber:
T-Zellen brauchen eine Woche!

9. Finsteres Mittelalter am Rhein:
Das Epizentrum des Abwehrkampfes!

10. Burgen
Soweit das Auge reicht!

11. Flagge zeigen

13. Eindringlinge mit fremder Flagge bekämpfen

14. Wenn alles gut geht dann verliert der Eindringling!
A British contribution

15. Welche Flagge zeigen Viren?

16. Self made: Virus entsteht aus "selbst"
Respiratory Syncytial Virus
Epithelzelle
Fremderkennung?

17. Nukleinsäure
Protein

18. Protein Nukleinsäure
ATP
4 Nukleotide
20 Aminosäuren
A T
Proteine DNA RNA

19. Bildung von RNA
DNA RNA

20. Der genetische Code

21. Protein Nukleinsäure
Protein
DNA RNA

22. Nukleinsäure und Protein in gesunder Zelle
Zelle
Zellkern
RNA DNA

23. Virale Proteine und Nukleinsäuren in der Zelle
Virus
Zelle
Zellkern
RNA DNA

24. Adaptive Immunantwort gegen Virus-Proteine erst nach einer Woche
T-Zelle
Virus Antikörper
Zelle
Zellkern
RNA DNA

25. Die Flagge der Viren:
Virale Nukleinsäure in der Zelle
! !
Zelle
!
Zellkern
RNA DNA
Ungewöhnliche Orte für Nukleinsäuren: Alarm!

26. Nüsslein-Volhard
Tübingen
Toll-ähnliche Rezeptoren: Toll-like receptors, TLR Nobelpreis 1995
Erkennung von viraler Nukleinsäure im Endosom Entdeckung
des Toll-Gens
Endosom
DNA
long dsRNA CpG
short dsRNA ssRNA
ssRNA
TLR3 TLR9
TLR7 TLR8

27. Bedeutung für Autoimmunität:
Virus-ähnliche Erkennung von eigener Nukleinsäure
Autoantikörper-Protein-Nukleinsäure-Komplex
DNA
long dsRNA CpG
short dsRNA ssRNA
ssRNA
TLR3 TLR9
TLR7 TLR8

28. Zytosolische Erkennung von viralen Nukleinsäuren: RIG-I and MDA-5, and AIM2
Virus
MDA-5
AIM2 RIG-I ?

29. Zytosolische Erkennung von viraler Einzelstrang-RNA?
Virus
?

30. Was könnte bei Einzelstrang-RNA als Unterscheidungsmerkmal dienen?
Virus
Zelle
Zellkern
RNA DNA

31. Veränderungen der RNA vor Verlassen des Zellkerns
Im Zellkern Außerhalb des Zellkerns
Bildung Prozessierung
von RNA von RNA

32. Keine RNA mit Triphosphat-Gruppe außerhalb des Zellkerns
Im Zellkern
Außerhalb des Zellkerns
Bildung Prozessierung von
von RNA RNA

33. Keine RNA mit Triphosphat-Gruppe außerhalb des Zellkerns
Im Zellkern
Außerhalb des Zellkerns
Bildung Prozessierung von
von RNA RNA

34. Geschnittene RNA besitzt keine Triphosphat-Gruppe!
Primäre transkribierte RNA Geschnittene RNA
5’ 5’
B
O O O B
HO O
P P PO O
O- O O
O- O- O-
O OH
O OH
O- P O- B
O- P O- B
O O
O O
O OH
O OH
N O- P O- B
O- P O- B
O O
O O
O OH
O OH
O- P O- B
O- P O- B
O O
O O
OH
OH
3’ 3’

35. Boten-RNA erhält eine Guanosin-Kappe auf das Triphosphat!
Primäre transkribierte RNA RNA mit einer Guanosin-Kappe
5’ OH HO 5’
O O O B
O O O B
P P PO O
P P PO O CH2 O-
O O O
O- O O N
N O- O- O-
O- O- O- O OH
O OH
N
O- P O- B
O- P O- B
NH2 CH3 O O
O O
O OH
O OH
N O- P O- B
O- P O- B
O O
O O
O OH
O OH
O- P O- B
O- P O- B
O O
O O
OH
OH
3’ 3’

36. Wege der Erkennung von viralen Nukleinsäure im Zellinneren!
Triphosphat-RNA ist der Ligand für RIG-I
Hornung...and Hartmann Science, 2006 Virus
3p
RIG-I
MDA-5
AIM2

37. Flagge zeigen: Virus oder Bakterium
Antibakterielle
TLR2 TLR4 TLR5 TLR6 Immunantwort
CpG
TLR3
TLR9
TLR7 TLR8
3p
RIG-I
MDA-5
AIM2
Antivirale Immunantwort:
Interferon-alpha, Zytokine
Immunzellaktivierung
Genexpressionshemmung
Apoptose

38. Unser Beitrag: Identifizierung und Charakterisierung von
Nukleinsäure-Liganden
1. TLR9: CpG DNA
Endosome Hartmann G. and Krieg A.M. J Immunol 2000a
Hartmann G. et al. J Immunol 2000b
TLR3
TLR9
TLR7 TLR8
RIG-I
MDA-5
Antivirale Antwort

39. Pharmakologie: from Bench to Bedside
Biologicals
Proteine (Viren) Nukleinsäuren
Vektoren Oligonukleotide
CpG-Oligonukleotid
ODN 2006 5’-TCG TCG TTT TGT CGT TTT GTC GTT-3’
ODN 7909 Hartmann G. and Krieg A.M. J Immunol 2000a, 164:944
(ProMuneR) Hartmann G. et al. J Immunol 2000b, 164:1617
Aktuell 17 klinische Studien bei FDA registriert, davon 2 Phase III Studien

40. Unser Beitrag: Identifizierung und Charakterisierung von
Nukleinsäure-Liganden
1. TLR9: CpG DNA
Endosome Hartmann G. and Krieg A.M. J Immunol 2000a
Hartmann G. et al. J Immunol 2000b
TLR3 2. TLR7/8: Von siRNA zu isRNA
TLR9 Hornung...and Hartmann Nat Med, 2005
TLR7 TLR8
RIG-I 3. RIG-I: 3pRNA
Hornung...and Hartmann Science, 2006
MDA-5 4. RIG-I: 3pRNA in der Tumortherapie
Poeck...and Hartmann Nat Med, 2008
5. RIG-I: Glatte Doppelstrang-RNA-Enden
Schlee...and Hartmann Immunity, 2009
Antivirale Antwort 6. RIG-I: Kristallstruktur der Liganden-Bindun
Wang...Hartmann and Patel Nat Struct Cell Biol, 2010

41. RIG-I: Erkennung von Einzelstrang-RNA Viren
5‘ 3‘
3P- AACACACACACACACACACACUUU
UUGUGUGUGUGUGUGUGUGUGAAAAA
• 5’-Triphosphat notwendig
• Ein kurzer Doppelstrang reicht aus
• Glattes 5´-Ende
• Panhandle-Struktur in Negativ-Strang-RNA-Viren
Schlee...and Hartmann, Immunity, 2009

42. Retinoic acid inducible gene I (RIG-I)
Helikase ATPase
Kristallisierung
DECH
CARD
“ Repressor domain“ Signalkaskade zu IFN-
Erkennung von Triphosphat-
dsRNA
Antivirale Antwort

43. Strukturelle und funktionelle Charakterisierung der Bindungstasche
RIG-I RD
K851
K849 NH3+
NH3+
P
N
H847 NH+ P
K858
-phosphate NH3+ NH3+
P
-phosphate K861 NH3+
F853
K888
-phosphate
N
-phosphate H830 NH+
-phosphate
Terminal bp stacking
Internucleotide p K907 SH
-phosphate NH3+ C829
Wang, Ludwig, Schuberth, Goldeck, Schlee ... Hartmann, Patel 2010, NSMB

44. Aktive N1-Methylierung verhindert Erkennung von selbst-RNA
MTr-1 MTr-2

45. Aktive N1-Methylierung verhindert Erkennung von selbst-RNA
MTr-1 MTr-2

46. Viren methylieren an N1 um eine Erkennung aktiv zu umgehen
• Das m7G-Cap allein hat kaum einen Einfluss auf RIG-I
• Einzelne 2‘O-Methylierung an N1 durch eine spezifische Methyltransferase verhindert RIG-I Aktivierung
• Viren ahmen 2‘O-Methylierung an N1 nach um RIG-I Erkennung zu umgehen

47. RIG-I Ligand: effektive Tumortherapie
RIG-I ligand

48. Institute of Clinical Chemistry and Clinical Pharmacology
Bonn Cluster of Excellence

49. 2012 Immune sensing: pattern recognition receptors:

50. Textbook: Sensing of non-self by pattern
recognition receptors initiates a tailored
immune response ...
T-cell
... but new challenges need to be
addressed
Dendritic cell

51. New challenge: Immune function of “non-immune“ cells
naive CD8 T-cell
Tolerization
mDC
LSECs apoptotic
cell
Space of Dissé
Stellate cell

52. macrophages
adipocytes
microglia
keratinocytes
hepatocytes

53. Systemic interplay : e.g. antiviral defense
neurons
hepatocytes macrophages
adipocytes
keratinocytes

54. Unsere Sinnesorgane
The immune sensory system:
our sense for health

55. Bonn Cluster of Excellence
New opportunities in Bonn: Excellence Cluster ImmunoSensation
3 Chairs in Immunology
4 Permanent Professors
3 Junior Research Groups
20 Postdocs
30 Graduate Students