Bernhard Peter
Schlüsselenzym: Die Reverse Transkriptase

Die Reverse Transkriptase – der Übersetzer
Der Virus bringt RNA als Informationsmaterial in die Zelle ein, diese wird in DNA umgeschrieben, ein in der Molekularbiologie einmaliger Vorgang. Diese Übersetzung von viraler Information in eine Form, die von der eigenen Erbinformation nicht zu unterscheiden ist und in diese eingebaut wird, nimmt ein Enzym namens Reverse Transkriptase vor, ein Schlüsselenzym der HIV-Vermehrung.

Abbildung der Reversen Transkriptase von HIV-1 ohne Ligand (Protein Data Base PDB-ID: 1DLO). Zur besseren Übersichtlichkeit ist hier nur die Sekundärstruktur (Helix und Faltblatt) wiedergegeben.

Abbildung der Reversen Transkriptase von HIV-1 mit einem Stück RNA (Protein Data Base PDB-ID: 1HVU). Zur besseren Übersichtlichkeit ist hier nur die Sekundärstruktur (Helix und Faltblatt) der RTase wiedergegeben. Deutlich zu erkennen ist hier die Zusammensetzung aus zwei Ketten und Aufteilung in zwei Funktionalitäten: Orange ist die Polymerase, gelb ist die Nuklease. In cyan mit sphärischen Atomen dargestellt das Stück RNA im aktiven Zentrum der Polymerasefunktion.

Die Reverse Transkriptase - ein Januskopf:
Das Enzym hat eine doppelte Funktionalität, und entsprechend ist sie auch aus zwei verschiedenen Polypeptidketten aufgebaut - die Reverse Transkriptase ist sowohl eine Polymerase als auch eine Nuclease. Die Polymerase ergänzt einsträngige RNA mit einem Komplementärstrang DNA. Wie zwei Arme umgeben die beiden Zonen der Polymerase den werdenden Doppelstrang aus RNA-DNA-Hybrid. Danach tritt die zweite Funktionalität in Aktion, das zweite Gesicht der Reversen Transkriptase, nämlich die Nuklease. Für diese Funktion ist die zweite Polypeptid-Kette zuständig. Sie entfernt die ursprüngliche RNA, die aus dem Virus stammt, indem sie sie in kleine Stücke zerschneidet. Das Ergebnis ist jetzt einzelsträngige DNA. Diese wird dann wiederum von der Polymerase-Seite – erneutes Umdrehen des Enzyms! - mit Nukleotiden zur doppelsträngigen DNA ergänzt. Von der viralen RNA ist nichts mehr übriggeblieben, die Information ist komplett in doppelsträngige DNA übersetzt worden, die jetzt in das Genom der Wirtszelle eingebaut werden kann und den Bau von sehr vielen Viren veranlassen kann, bis die Zelle daran zugrunde geht.

Abbildung der Reversen Transkriptase von HIV-1 mit einem Stück RNA/DNA-Hybrid (Protein Data Base PDB-ID: 1HYS). Zur besseren Übersichtlichkeit ist hier nur die Sekundärstruktur (Helix und Faltblatt) der RTase wiedergegeben. Deutlich zu erkennen ist hier die Zusammensetzung aus zwei Ketten und Aufteilung in zwei Funktionalitäten: Orange ist die Polymerase, gelb ist die Nuklease. In cyan mit sphärischen Atomen dargestellt das Stück RNA/DNA-Hybrid im aktiven Zentrum der Polymerasefunktion.

Abbildung der Reversen Transkriptase von HIV-1 mit einem Stück RNA/DNA-Hybrid (Protein Data Base PDB-ID: 1HYS). Zur besseren Übersichtlichkeit ist hier nur die Sekundärstruktur (Helix und Faltblatt) der RTase wiedergegeben. Orange ist die Polymerase, gelb ist die Nuklease. In cyan mit sphärischen Atomen dargestellt das Stück RNA/DNA-Hybrid im aktiven Zentrum der Polymerasefunktion. Besonders gut ist in dieser Darstellung die sich bildende Doppelhelix zu erkennen.

Abbildung der Reversen Transkriptase von HIV-1 mit einem Stück RNA/DNA-Hybrid (Protein Data Base PDB-ID: 1HYS). Zur besseren Übersichtlichkeit ist hier nur die Sekundärstruktur (Helix und Faltblatt) der RTase wiedergegeben. Rot sind Sauerstoffatome, dunkelblau die Stickstoffatome, cyan Kohlenstoffatome. Besonders gut zu erkennen die sich bildende Doppelhelix im aktiven Zentrum der Polymerase (orange).

Viren und der Geiz mit Platz
Wie stark die Reverse Transkriptase ein Januskopf ist, sieht man daran, daß im Grunde beide Teile vom selben Gen kodiert werden. Viren sind winzig, es ist wenig Platz im Innern, die Information und Funktionalität muß so knapp wie möglich sein. Polymerase und Nuklease stammen aus der selben Quelle, nur wird von der Nuklease-Einheit ein Stück abgeschnitten, und die Polymerase-Einheit ist das vollständige Teil. Das braucht weniger Platz als wenn man zwei verschiedene Eiweiße kodieren müßte.

Warum gibt es so schnell Resistenzen?
Die Reverse Transkriptase ist ein schlampiges Enzym: Sie macht etwa alle 2000 Basenpaare einen Fehler. Im Vergleich dazu ist die zelleigene Polymerase, die über das menschliche Erbgut wacht, um ein Vielfaches genauer. Sie verfügt außerdem über eine Art Korrekturfunktion. Alle 2000 Basenpaare ein Fehler - das ist so wie wenn wir uns vorstellen, daß auf jeder Schreibmaschinenseite ein Tippfehler wäre. Diese Schlampigkeit wäre für eine menschliche Zelle untragbar und für den Menschen insgesamt fatal. Aber: Für den Virus ist das sogar ein Vorteil, weil ständig eine gewisse Bandbreite an Mutationen erzeugt wird. So kann der Virus relativ schnell und einfach auf veränderte Umweltbedingungen reagieren und sich anpassen. Wir müssen die enorme Vermehrungsrate in Betracht ziehen: Täglich werden Millionen Viren neu gebildet. Und unter einem gewissen Selektionsdruck wie etwa Medikamente wird das wichtig: Manche Schreibfehler führen dazu, daß das Ergebnis nicht mehr richtig funktioniert. Aber auch kann ein einziger Schreibfehler zu einem neuen Enzym führen, das funktioniert und nicht mehr auf den Arzneistoff anspricht – eine resistente Variante ist entstanden, die ohne Arzneimittel eine Mutante unter vielen ist, die aber unter dem äußeren Druck von Arzneimitteln bald die größte Fraktion darstellt. So kann es passieren, daß innerhalb von wenigen Wochen resistente Viren entstehen, die nicht mehr auf die Arzneimittel ansprechen.

Literatur:
David S. Goodsell, Reverse Transcriptase, http://www.pdb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb33_1.html
Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank http://www.rcsb.org/pdb, PDB-ID: 1HVU: HUMAN IMMUNODEFICIENCY VIRUS TYPE 1 REVERSE TRANSCRIPTASE COMPLEXED WITH A 33-BASE NUCLEOTIDE RNA PSEUDOKNOT, Jaeger, J., Restle, T., Steitz, T.A. The structure of HIV-1 reverse transcriptase complexed with an RNA pseudoknot inhibitor. EMBO J. v17 pp.4535-4542, 1998.
Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank http://www.rcsb.org/pdb, PDB-ID: 1HYS, CRYSTAL STRUCTURE OF HIV-1 REVERSE TRANSCRIPTASE IN COMPLEX WITH A POLYPURINE TRACT RNA:DNA, Sarafianos, S.G.,  Das, K.,  Tantillo, C.,  Clark Jr., A.D.,  Ding, J.,  Whitcomb, J.M., Boyer, P.L., Hughes, S.H., Arnold, E. Crystal structure of HIV-1 reverse transcriptase in complex with a polypurine tract RNA:DNA. EMBO J. v20 pp.1449-1461 , 2001
Research Collaboratory for Structural Bioinformatics Protein Data Bank http://www.rcsb.org/pdb, PDB-ID: 1DLO, Hsiou, Y.,  Ding, J.,  Das, K.,  Clark Jr., A.D.,  Hughes, S.H.,  Arnold, E. Structure of unliganded HIV-1 reverse transcriptase at 2.7 A resolution: implications of conformational changes for polymerization and inhibition mechanisms. Structure v4 pp.853-860, 1996 HUMAN IMMUNODEFICIENCY VIRUS TYPE 1

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