Die Rolle des alternativen Spleißens bei Infektionskrankheiten: Von Wirten, Pathogenen und ihren Wechselwirkungen
Das alternative Spleißen (AS) ist ein hochkonservierter Mechanismus, der Introns entfernt und Exons verknüpft, um reife Messenger-RNAs (mRNAs) zu generieren. Dieser Prozess steigert signifikant die Diversität von Transkriptomen und Proteomen. Sowohl Wirte als auch Pathogene nutzen AS, um ihre Lebensfunktionen aufrechtzuerhalten. Aufgrund inhärenter physiologischer Unterschiede weisen die Spleißmechanismen von Säugetieren und Pathogenen jedoch deutliche Unterschiede auf. Während Säugetiere und Pilze Spleißosomen für eine zweistufige Transesterifizierungsreaktion (Cis-Spleißen) nutzen, verwenden Parasiten Spleißosomen für das Trans-Spleißen von Exons unterschiedlicher mRNAs. Bakterien und Viren hingegen kapern die Spleißmaschinerie des Wirts.
Infektionsbedingte Veränderungen zeigen sich im Verhalten von Spleißosomen und in Eigenschaften von Spleißregulatoren, einschließlich ihrer Häufigkeit, Modifikation, Verteilung und Konformation. Diese Veränderungen führen zu globalen Verschiebungen im Spleißprofil. Gene mit Spleißanomalien sind oft in Immun-, Wachstums- oder Stoffwechselwegen angereichert, was die Interaktion zwischen Wirt und Pathogen widerspiegelt. Basierend auf diesen infektionsspezifischen Regulatoren oder AS-Ereignissen wurden gezielte Therapeutika entwickelt. Diese Übersichtsarbeit fasst aktuelle Erkenntnisse zu infektionsassoziiertem Spleißen zusammen, einschließlich der Mechanismen, Regulation, pathologischer AS-Ereignisse und neuartiger Therapien. Ziel ist es, Wirt-Pathogen-Interaktionen aus Spleißperspektive zu entschlüsseln und Strategien für Wirkstoffentwicklung, Detektionsmethoden und Datenbanken zu diskutieren.
Einführung
Die Entdeckung von Diskrepanzen zwischen Adenovirus-mRNA und ihrer DNA-Vorlage offenbarte, dass die genetische Informationsübertragung von DNA zu RNA das Entfernen nichtkodierender Regionen und das Spleißen kodierender Bereiche umfasst. AS erhöht die Transkriptom- und Proteomvielfalt drastisch: 95 % der humanen Gene exprimieren mehr als eine Isoform. AS-Anomalien stehen im Zusammenhang mit infektiösen Erkrankungen.
Trotz medizinischer Fortschritte bleiben Infektionen wie HIV, Malaria, Tuberkulose (TB) und COVID-19 globale Gesundheitsbedrohungen. Die Aufklärung von Wirt-Pathogen-Interaktionen ist entscheidend für die Infektionskontrolle. AS ist ein schneller und effizienter Mechanismus für die transkriptomische Umgestaltung während dieser Interaktionen. Dieser Review beleuchtet AS-Modulationen aus der Perspektive von Pathogenen, Wirten und ihren Wechselwirkungen.
Mechanismus des AS
AS umfasst Exon-Skipping, Intron-Retention, alternative 3′- und 5′-Spleißstellen, gegenseitig exklusive Exons, alternative Polyadenylierung und Exitron-Spleißen. Im Kern handelt es sich um eine zweistufige SN2-Transesterifizierung: Die 2′-OH-Gruppe des Branch-Point(Adenin) greift die 5′-Spleißstelle an, bildet eine Lassostruktur und verknüpft anschließend die Exons. Bei Eukaryoten wird dieser Prozess durch das Spleißosom katalysiert, dessen Zusammensetzung zwischen Organismen variiert.
Molekularer Mechanismus des AS bei Säugetieren
Das Spleißosom ist ein Ribonukleoprotein-Komplex aus ~100 Proteinen und fünf snRNPs (U1, U2, U4, U5, U6). U1 erkennt die 5′-Spleißstelle, U2 den Branch-Point. Durch dynamische Umlagerungen entstehen Komplexe (E, A, B, C), die zur reifen mRNA führen. Der U2-Typ verarbeitet die meisten Introns, während der U12-Typ seltene AU-AC/GU-AG-Introns spleißt.
Molekularer Mechanismus des AS bei Pathogenen
Parasiten nutzen Trans-Spleißen, um Exons verschiedener pre-mRNAs zu verknüpfen. Beim „Spliced Leader (SL)-Trans-Spleißen“ wird ein SL-Exon an multiple pre-mRNAs angefügt.
Viren wie HIV-1 kapern die Wirtsspleißmaschinerie. HIV-1 generiert ungespleißte (US), partiell (PS) und mehrfach gespleißte (MS) Transkripte, die virale Proteine kodieren. Die Spleißregulation erfolgt über cis-Elemente und Wirtsfaktoren. HPV-16 exprimiert polycistronische mRNAs mit alternativ gespleißten E6/E7-Isoformen, die Onkogenese fördern.
Regulation des AS
Spleißregulation umfasst:
- Spleißosom-Modulation: Pathogene beeinflussen snRNA/snRNP-Expression. Beispielsweise inhibiert das MRV-m2-Protein U5-snRNP-Proteine, stört IL34-Spleißen und die Immunantwort.
- Cis-Elemente: Konservierte Sequenzen in pre-mRNA steuern Spleißstellenauswahl. Mutationen stören die Erkennung durch Trans-Faktoren.
- Trans-Faktoren: RNA-bindende Proteine (z.B. SRSFs, hnRNPs) aktivieren oder hemmen das Spleißen. SRSF1 rekrutiert Spleißkomponenten an Exonverstärker.
- Co-transkriptionale Regulation: Die RNA-Polymerase-II-Elongationsrate beeinflusst Spleißzeitpunkte.
- Epigenetik: DNA/RNA-Methylierung (z.B. m6A) moduliert Spleiß. Escherichia coli induziert LGR4-Exon5-Methylierung, Flaviviren reduzieren m6A-Modifikationen von CIRBP-mRNA.
- RNA-Strukturen: Sekundärstrukturen exponieren/verbergen Spleißstellen. HIV-1-Stem-Loops fördern Exon-6D-Inklusion.
- Phasentrennung: Kernspeckles konzentrieren Spleißfaktoren und begünstigen Exonverarbeitung.
Pathologische AS-Ereignisse bei Infektionen
Viren:
- HIV: Störung des Wirts-AS durch Integration. CCNT1-Exon7-Skipping unterdrückt virale Transkription und fördert Latenz.
- EBV: Das SM-Protein moduliert STAT1-Spleißen (STAT1b/STAT1a-Ratio), begünstigt Proliferation. MPPE1-Exon11-Skipping induziert Tumorgenese.
Bakterien:
- Tuberkulose: Mycobacterium tuberculosis (MTB) induziert RAB8B-Trunkierung und IL12Rb1-Exon14-Skipping, unterdrückt Autophagie und verstärkt T-Zellaktivierung.
- Mycoplasma pneumoniae: GNLY-Intron1-Exklusion steigert kurze GNLY-Isoformen für Immunabwehr.
Gezielte Therapeutika
- HIV: Indolderivate (IDC16) hemmen SRSF1-vermittelte Spleißaktivität; ABX464 blockiert den Export unspleißter Transkripte.
- Influenza: PPMOs induzieren TMPRSS2-Exon5-Skipping, reduzieren Virulenz.
Schlussfolgerungen und Ausblick
Pilze und Parasiten nutzen eigene Spleißosomen, Viren/Bakterien kapern die Wirtsmaschinerie. Pathogene modulieren AS über Trans-Faktoren, Epigenetik und RNA-Strukturen. Zukünftige Forschung sollte AS-Biomarker identifizieren, Einzelzell-Sequenzierung optimieren und breit wirksame Therapien entwickeln. Datenbanken für infektionsrelevantes AS sind essenziell, um phänotypische Korrelationen aufzuklären.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000002621