Weltweit besteht eine große Durchseuchung mit HCMV. Mit Abnahme des sozioökonomischen Status nimmt die Durchseuchungsrate zu. In den Dritte-Welt-Ländern findet man eine Durchseuchung der Bevölkerung von bis zu 100%, in Europa umfasst die Durchseuchung ungefähr 60%. Im Rahmen der Primärinfektion ist CMV in sämtlichen Körperflüssigkeiten wie Speichel, Blut, Urin, Fäkalien, Tränen- und Spermaflüssigkeit, Vaginalsekret und Muttermilch zu finden. Die Übertragung erfolgt nur bei direktem Kontakt mit infektiösem Material. Darüber hinaus kann HCMV auch vertikal übertragen werden. Nach rekurrenter oder primärer Infektion der Mutter erfolgt die Übertragung transplazental, intrapartum oder über die Muttermilch (Pass, 1985;Stagno et al., 1986). Die HCMV Infektion zählt zu den häufigsten klinisch relevanten konnatalen Infektionen.

Der klinische Verlauf einer HCMV Infektion ist abhängig von der Immunkompetenz des Wirtes. Im immunkompetenten Patienten kommt es gelegentlich zu einer HCMV Mononukleose, die 8% aller Mononukleosen (durch EBV verursacht) ausmacht (Pass, 2001). Selten wurden periphere Neuropathien, ein Guillain-Barré Syndrom, Meningoencephalitis, Myokarditis, hämolytische Anämie, Thrombozytopenie, Retinitis, gastrointestinale Ulcera, Hepatitis oder Pneumonie beobachtet.

Besonders schwerwiegend verläuft die HCMV Infektion bei immunsupprimierten Patienten. Insbesondere sind Transplantationsempfänger, Krebspatienten die eine Chemotherapie erhalten, Patienten mit kongenitalen Immundefekten sowie HIV infizierte Patienten betroffen. In solchen Patientengruppen kann eine HCMV Infektion unter Umständen auch tödlich enden. Bei der kongenitalen HCMV Infektion sind meistens mehrere Organsysteme betroffen. Die Mehrheit (50% bis 90%) der symptomatischen Neugeborenen werden im späteren Verlauf eine Kombination aus Defiziten aufweisen, wie neurologische Zeichen eines frühkindlichen Hirnschadens, Innnenohrschwerhörigkeit, Sprachstörungen, Epilepsie und Retinitis (Pass, 2001).

Durch den Fortschritt der heutigen Medizin wird die HCMV Infektion klinisch bedeutender, nicht nur die besseren Überlebenschancen der Frühgeborenen, sondern auch die Transplantationsmedizin tragen entscheidend dazu bei. Bei Stammzell-, Knochenmark- und Organtransplantationen kann eine HCMV Infektion sowohl zur Organbeteiligung (z. B. Pneumonie, Gastritis) als auch zur akuten und chronischen Abstoßung führen. Außerdem führt eine HCMV Infektion bei Transplantatempfängern zur Zunahme von Infektionen durch opportunistische Erreger. Der wichtigste Risikofaktor dieser Komplikationen ist der Serostatus des Empfängers, wobei ein seronegativer Empfänger, der ein Transplantat eines seropositiven Spenders erhält besonders gefährdet ist an einer HCMV Infektion zu erkranken (Ljungman, 2002).

CMV zählt, im Vergleich zu den kleinen DNA-Tumorviren, nicht zu den onkogenen Viren, wurde aber bisher mit folgenden Neoplasien molekular und serologisch assoziiert: zervikales Karzinom, Adenokarzinom der Prostata und des Kolons, Karposi Sarkom (Übersicht in (Doniger et al., 1999), kolorektales Adenokarzinom (Harkins et al., 2002), nicht-melanöse Karzinome (Zafiropoulos et al., 2003) und maligne Gliome (Cobbs et al., 2002). Außerdem wird die Bedeutung einer Beteiligung von CMV an der Pathogenese der Arteriosklerose (Melnick et al., 1995) und der koronaren Restenose (Speir et al., 1994) diskutiert.

Die letztendliche onkogene Bedeutung von HCMV ist aufgrund der hohen Durchseuchungsrate und dem ubiquitären Vorkommen des Virus allerdings schwierig zu beurteilen; es konnten in diesem Zusammenhang bisher keine kausalen Verknüpfungen hergestellt werden.

Neben diesen klinischen Gesichtspunkten ist durchaus bekannt, dass HCMV Faktoren kodiert, die wichtige Tumorsupressoren, wie p53 und pRb binden und funktionell inaktivieren (Hagemeier et al., 1994;Speir et al., 1994). Darüber hinaus wurde durch die Infektion mit HCMV eine transkriptionelle Aktivierung von Protoonkogenen, wie c-fos, jun und myc beobachtet (Boldogh et al., 1990).
Des weiteren wurde eine Sequenz Namens mtrII (morphological transforming region) im Genom von HCMV identifiziert, die möglicherweise zu maligner Transformierung führt (Muralidhar et al., 1996;Razzaque et al., 1991;Thompson et al., 1994). Durch HCMV transformierte Zellen enthalten sowohl die DNA-Sequenz von mtrII als auch das exprimierte Protein. Ähnlich wie die Onkogene kleiner DNA Viren bindet MTRII in vitro und in vivo an p53 und verhindert die p53 abhängige Transkription.
Die biologische Relevanz dieser Interaktion ist jedoch noch nicht geklärt (Muralidhar, Doniger et al. 1996). Es konnten außerdem noch keine kausalen Zusammenhänge zwischen den klinischen und molekularen Beobachtungen erschlossen werden.

Angetrieben wird der Zellzyklus auf molekularer Ebene primär durch die Aktivität Zyklin-assoziierter Kinasen (CDK). Zyklin-assoziierte Kinasen bilden die katalytische Untereinheit von Proteinkomplexen, die unterschiedlichen Regulationsmechanismen unterliegen. Die Regulation der Zyklin/CDK-Proteinkinaseaktivität wird nicht nur durch unterschiedliche Zyklin- oder CDK-Expression sondern sowohl durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung von Zyklinen und den Zyklin-assoziierten Kinasen als auch durch die Expression inhibitorischer Polypeptide, der CDK-Inhibitoren (CKI) kontrolliert.

In der G1-Phase führt die mitogenabhängige Expression und Aktivierung von ZyklinD1- CDK4/6-Komplexen zu einer initialen Phosphorylierung des Retinoblastomproteins (pRb), was die Progression durch die frühe und mittlere G1-Phase ermöglicht (Sherr, 1995). Außerdem wird von einer Beteiligung von ZyklinD1-CDK4/6 an der G1/S-Phase-Progression ausgegangen (Baldin et al., 1993;Quelle et al., 1993).

In un- oder hypophosphorylierter Form wirkt das pRb wachstumsinhibitorisch, weil es in dieser Form Transkriptionsfaktoren der E2F-Familie bindet und so deren Zielgene aktiv reprimiert (Harbour und Dean, 2000). Wenn das pRb zunehmend phosphoryliert wird, verliert es die Fähigkeit E2F zu binden. Somit kann dann eine kontrollierte Transkription bestimmter E2F-Zielgene erfolgen. Zu diesen Zielgenen gehören Gene, deren Produkte selbst in die Kontrolle des Zellzyklus Ablaufes eingebunden sind oder die an Zellwachstum und DNA-Synthese teilnehmen. Dazu gehört auch Zyklin E, das als Teil des Zyklin E-CDK2 Komplexes, eine wichtige Rolle für den G1/S-Phase-Übergang spielt, indem es
u. a. pRb und andere Pocketproteine phosphoryliert. Die wechselnde sequentielle Aktivierung der Zyklin/CDK-Komplexe während des Zellzyklus, wie an diesem Beispiel andeutungsweise geschildert, ist in Abb. 3 dargestellt.

Aufgrund der positiven Rückkopplung zwischen Zyklin E-Expression und pRb-Phosphorylierung kommt es am Ende der G1-Phase zu einem raschen Anstieg der Zyklin E-CDK2-Aktivität und des
pRb-Phosphorylierungsgrades (Geng et al., 1996;Ohtani et al., 1995). Unter anderem wird damit die Eigendynamik und die Mitogenunabhängikeit der Zellzyklusprogression nach überschreiten des sogenannten Restriktionspunktes in G1 erklärt (Bartek et al., 1996;Planas-Silva und Weinberg, 1997).

Abbildung 3: Der Zellzyklus.Der Fortgang des Zellzyklus wird durch die Aktivität Zyklin-assoziierter Kinasen (CDK) und deren regulatorischen Untereinheiten, den Zyklinen gesteuert. Zellen verweilen, z. B. durch den Entzug von Wachstumsfaktoren (WF) in der G0 Phase des Zellzyklus.

Der Beginn der DNA-Synthese wird in der G1-Phase durch die Assemblierung des Prereplikationskomplexes (Pre-RC) vorbereitet, welcher nur einmal pro Zellzyklus erfolgen kann. Dieser Komplex besteht aus unterschiedlichen Proteinen: dem Origin-Recognition Complex (ORC1-6), den MCM-Ladefaktoren CDC6 und CDT1 und dem MCM Proteinkomplex (MCM2-7), der vermutlich als zelluläre DNA-Helikase während der DNA-Replikation fungiert (Bell und Dutta, 2002) (siehe Abb. 4). Fast alle Pre-RC-Faktoren werden E2F abhängig exprimiert (Leone et al., 1998;Ohtani et al., 1996). Möglicherweise kann das Binden des Pre-RC an das Chromatin am G0/S-Übergang durch Zyklin E positiv beeinflusst werden (Cook et al., 2002;Coverley et al., 2002).

Abbildung 4: Beginn der DNA Replikation. Durch das Zusammensetzen des Pre-RC aus ORC, Cdt1, CDC6 und den MCMs wird der Beginn der DNA-Replikation vorbereitet (nach (Wiebusch et al., 2003).

Sobald die Zelle in die S-Phase eintritt, fällt die Zyklin E-CDK2-Aktivität normalerweise stark ab
(Dulic et al., 1992). In speziellen Embryonalzellen wurden weitere Replikationsrunden ohne dazwischenliegende Zellteilung beobachtet (Singer et al., 1999), in diesen Zellen kommt es nicht zum Abfall der Zyklin E-CDK2-Aktivität.

Die genannten Punkte weisen darauf hin, dass es in der G1- und S-Phase zwei entkoppelbare Programme zu geben scheint, die durch Zyklin-assoziierte Kinaseaktivität kontrolliert werden. Einerseits wird auf Transkriptionsebene Proliferations- und S-Phase-spezifische Genexpression induziert, andererseits wird die Replikation der DNA initiiert.

So wird auch die Zyklin A-Expression in der späten G1-Phase, Zyklin E-CDK2-abhängig, nicht mehr durch pRb reprimiert (Zhang et al., 2000). Zyklin A-CDK2 trägt dann zur Akkumulation von Zyklin B bei, indem es den anaphase promoting complex (APC) inhibiert, der die Zyklin B Proteinmenge negativ kontrolliert (Lukas et al., 1999).

Im weiteren Verlauf kommt es in der S- und G2-Phase zur Akkumulierung von Zyklin A und B
(Pines und Hunter, 1989;Pines und Hunter, 1990). Parallel dazu steigt auch die Zyklin A-CDK2-Aktivität und unterstützt das Durchlaufen der gesamten S-Phase u. a. durch die Phosphorylierung von Faktoren, die für den Beginn der DNA-Replikation notwendig sind (Yam et al., 2002). Zyklin B-CDK1 wird durch inhibitorische Phosphorylierungen von CDK1 und zytoplasmatische Lokalisation bis zum Ende der G2-Phase inaktiv gehalten (Kishimoto und Okumura, 1997). Mit der Aktivierung von Zyklin B-CDK1 erfolgt der Eintritt in die Mitose (Jackman und Pines, 1997).

Die Bedeutung der Phosphorylierung von Zyklinen ist nicht eindeutig geklärt. Die Phosphorylierung von Zyklin E scheint unter anderem für dessen Abbau erforderlich zu sein (Clurman et al., 1996;Won und Reed, 1996). Zyklin B wir durch Phosphorylierung in seiner zellulären Lokalisation beeinflusst. Die nukleäre Lokalisation trägt zum Eintritt in die Mitose bei (Li et al., 1997).

Eine weitere Regulation der Zyklin/CDK-Proteinkinaseaktivität erfolgt über Zyklin-abhängige Kinase-Inhibitoren (CKI). Die Vertreter der CIP/KIP-Familie der CKI wie p21, p27 und p57 gelten als umfassende CDK-Inhibitoren (Hengst und Reed, 1998). Dagegen hemmen die Vertreter der
INK4-Familie (Carnero und Hannon, 1998), wie p15, p16, p18 und p19nur Zyklin D-CDK4/6 direkt.

Abbildung 5: CDK-Inhibitoren. CKI der CIP/KIP-Familie binden an CDK2/ Zyklin E/A und inhibieren so die katalytische Aktivität (A). CKI der INK4-Familie blockieren durch Unterbrechung der Zyklinbindung an CDK 4/6 die Aktivität des Komplexes (B).

Das humane Zytomegalievirus beeinflusst, vermutlich um seine eigene Replikation zu optimieren, den Zellzyklus der infizierten Zelle.

Von mehreren Viren ist bekannt, das sie den Zellzyklus der Wirtszelle auf verschiedenste Weise beeinflussen, damit die eigene virale Replikation ungehindert ablaufen kann. Kleine DNA-Viren wie
z. B. Polyoma- oder Papillomaviren sind auf zellulärer DNA-Replikation angewiesen, um im Ganzen von den zellulären Replikationsfaktoren zu profitieren (Shadan et al., 1994). Die Infektion mit solchen Viren führt zur S-Phase-Induktion, die meistens durch die Inaktivierung von pRb hervorgerufen wird (Vousden, 1995). Bei großen DNA-Viren, wie den Herpesviren, die über ihren eigenen Replikationsapparat verfügen, scheint die virale DNA-Replikation in Abwesenheit der zellulären begünstigt zu sein.

Größere DNA Viren können sogar in arretierten Zellen replizieren (DeMarchi und Kaplan, 1976;Shadan et al., 1994) und führen teilweise zu einem Zellzyklusblock in G1 oder am G1/S-Übergang (Bresnahan et al., 1996;de Bruyn Kops und Knipe, 1988;Dittmer und Mocarski, 1997;Ehmann et al., 2000;Flemington, 2001;Song et al., 2000). Insbesondere HCMV arretiert Zellen in der G1-Phase und stoppt die Zellproliferation (Bresnahan et al., 1996;Dittmer und Mocarski, 1997;Lu und Shenk, 1996). Aus bisher ungeklärten Gründen ist die Genexpression viraler immediate-early Gene
- die Voraussetzung für eine effektive virale Replikation - nur in der G1-Phase möglich (Fortunato et al., 2002;Salvant et al., 1998). Obwohl keine zelluläre Replikation stattfindet, werden durch HCMV
S-Phase-spezifische Gene hochreguliert und Mechanismen aktiviert, die den Eintritt in die S-Phase kontrollieren. Die Expression sowohl von Replikationsfaktoren wie Topoisomerase II (Benson und Huang, 1990) und PCNA (Dittmer und Mocarski, 1997) als auch von Enzymen des Nukleotidmetabolismus wie DHFR (Lembo et al., 1999), Thymidinkinase (Colberg-Poley und Santomenna, 1988) und Ornithindecarboxylase (Isom, 1979) wird durch das Virus aktiviert.

Außerdem wird die Zyklin E-CDK2 Aktivität durch die Infektion mit HCMV erhöht (Bresnahan et al., 1998;Bresnahan et al., 1997;Chen et al., 2001;McElroy et al., 2000;Sinclair et al., 2000;Wiebusch et al., 2003) und die das Wachstum stoppenden Formen von Rb und andere Pocketproteine werden inaktiviert oder degradiert (Fortunato et al., 1997;Hagemeier et al., 1994;Jault et al., 1995;Kalejta et al., 2003;McElroy et al., 2000;Poma et al., 1996). Darüber hinaus wird die Expression
E2F-responsiver Gene hochreguliert (Song und Stinski, 2002;Wade et al., 1992) und die Substrate der G0/G1-spezifischen Ubiquitin Ligase APC werden stabilisiert (Biswas et al., 2003;Jault et al., 1995;Wiebusch et al., 2003).

Durch die erwähnten Einflüsse wird eine scheinbare S-Phase-Umgebung geschaffen, die essentielle Vorraussetzungen für einen produktiven Replikationszyklus des Virus zu sein scheint. Der durch HCMV verursachte Zellzyklusblock am G1/S-Übergang wird durch die selektive Hemmung der zellulären DNA-Synthese verursacht, indem das Laden der MCMs auf den ORC verhindert wird, obwohl alle Pre-RC-Faktoren in infizierten Zellen vorhanden sind (Biswas et al., 2003;Wiebusch et al., 2003) (siehe Abb. 6).

Abbildung 6: Hemmung der zellulären DNA-Synthese durch HCMV.HCMV verhindert das Binden der MCMs an den ORC-Komplex (Wiebusch 2003).

Als weitere Ursache des Zellzyklusblocks wird die, durch das Virus verursachte, verminderte Zyklin D1 und A Expression diskutiert (Bresnahan et al., 1996;Jault et al., 1995). Ungewöhnlicherweise wird Zyklin B1-CDK2 durch das Virus aktiviert (Jault et al., 1995). Dies weißt daraufhin, dass die Zellzykluskontrollpunkte, die Zyklin B1-CDK2 in Anwesenheit unreplizierter DNA normalerweise inaktiv hält, durch das Virus außer Kraft gesetzt sind. Die physiologische Relevanz der Zyklin Deregulation für den viralen Replikationszyklus ist bisher nicht verstanden.

Um weiteren Einblick in die Mechanismen des durch HCMV verursachten Zellzyklusarrestes zu bekommen, hat man in den letzten Jahren versucht virale Faktoren zu identifizieren, die für den ungewöhnlichen Zellzyklusarrest verantwortlich sind. Zum Beispiel arretiert das immediate-early Protein IE86 (IE2) Zellen am G1/S-Übergang und führt gleichzeitig zur Aktivierung von Zyklin E und Inaktivierung von Rb (Wiebusch und Hagemeier, 2001). Das immediate-early Protein IE72 (IE1) interagiert mit p107 und hebt dadurch die repressive Wirkung, die dieses Protein der pRb-Familie auf den E2F-responsiven Promotor ausübt, auf (Poma et al., 1996).

Ein weiterer viraler Faktor mit Zellzyklus regulatorischer Aktivität ist das Virionprotein pUL69.
Bei transienter Expression in primären Fibroblasten wirkt es inhibitorisch auf die G1/S-Progression
(Lu und Shenk, 1999). Wenn die Infektion mit pUL69-mutierten Viren erfolgt, ist der Zellzyklusblock deutlich geringer (Hayashi et al., 2000). Dies zeigt, dass pUL69 für einen effizienten G1-Arrest infizierter Zellen erforderlich ist.

Das durch HCMV UL82 kodierte Protein pp71 führt zum Proteasomen-abhängigen Abbau der aktiven Formen von pRb und weiterer Pocketproteinen wie p107 und p130 (Kalejta und Shenk, 2003), daraus folgt ein beschleunigtes Durchlaufen der G1-Phase (Kalejta und Shenk, 2003).

Analysiert man den Zellzyklusarrest HCMV infizierter Zellen, betrachtet man den kombinierten Effekt der unterschiedlichen viralen Faktoren. Im Gegensatz zu den in Abb.7 zusammengefassten, gut untersuchten Einflüsse des humane Zytomegalievirus auf den Zellzyklus (Kalejta und Shenk, 2002), sind die Effekte von CMV anderer Spezies auf den Zellzyklus bisher allerdings unbekannt.

Abbildung 7: Einfluss des HCMV auf den Zellzyklus. Der Fortgang des Zellzyklus wird durch die Aktivität Zyklin-assoziierter Kinasen (CDK) und deren regulatorischen Untereinheiten, den Zyklinen gesteuert. Zellen verweilen durch den Entzug von Wachstumsfaktoren (WF) in der G0-Phase des Zellzyklus. Durch die HCMV Infektion wird der Zellzyklus in seinem Fortgang wie gezeigt beeinflusst.

Beide RCMV Stämme, „England“ und „Maastricht“, entstammen freilebenden Ratten (Rattus norvegicus). Das Genom von RCMV „Maastricht“, welches bereits vollständig sequenziert wurde (Vink et al., 2000), ist mit 230 kb nicht nur größer als das von RCMV „England“ (ungefähr 206 kb) sondern ergibt auch ein komplett anderes Muster bei Verdau mit Restriktionsendonukleasen (Burns et al., 1988;Meijer et al., 1986). Darüber hinaus zeigen die beiden Stämme ein unterschiedliches Wachstumsverhalten und unterschiedliche Zellpermissivität in vitro und in vivo, so dass es sich möglicherweise um zwei unterschiedliche Betaherpesviren handelt (Beisser et al., 1998).

Der MCMV Stamm „Smith“ wurde nach seinem Entdecker benannt (Smith, 1954). Sein Genom besitzt eine Größe von 230 kb, verläuft mit dem humanen Zytomegalievirus AD 169 über 180 kb kolinear und ist diesem in einem Bereich von 78 zentralliegenden ORFs besonders ähnlich (Rawlinson et al., 1996).

Wie HCMV verursacht auch MCMV schwerwiegende Krankheiten in immunsupprimierten Mäusen und reagiert ebenso empfindlich gegenüber dem Virustatikum Ganciclovir (Shanley et al., 1985) (siehe Abschnitt 3.4). Darüber hinaus verhält sich die generelle Regulation der Genexpression sowie die Funktion einzelner viraler Proteine in HCMV und MCMV ähnlich (Sweet, 1999).

HCMV, MCMV und RCMV zeigen nicht nur genetische und morphologische Homologien (Bruggeman et al., 1983;Vink et al., 2000), auch in der Pathogenese und klinischen Manifestation sind sie anerkannte Tiermodelle für die CMV-Infektion:

• Reddehase et al. konnten zeigen, dass der Schaden des Knochenmarkstromas durch eine CMV Infektion zu einer erschwerten Regeneration durch pluripotente Stammzellen führt (Reddehase et al., 1992). Auch die Beeinträchtigung der Embryogenes des Gehirns in vivo und in vitro, sowie die virale Genexpression in unterschiedlichen Regionen des ZNS konnte mit Hilfe des Mausmodells nachvollzogen werden (van Den Pol et al., 1999). Durch ein weiteres Modell konnte die Interaktion zwischen Virus und Gefäßwand verdeutlicht werden, es ergab, dass CMV mittels eines proinflammatorischen Effekts eine Rolle bei der Entstehung von Atheriosklerose zu spielen scheint (Melnick et al., 1995;Span et al., 1992).

• Einen Einblick in den Mechanismus der Latenz haben Reddehase et al. durch die Untersuchung der Kinetik der Latenz und Rekurrenz im Mausmodell ermöglicht (Reddehase et al., 2002).

• Desgleichen diente das Mausmodell zu Studien über die Kontrolle und Beeinflussung des Immunsystems durch CMV. So wurde hier die Funktion viraler Faktoren, die Homologien zu Protein-G gekoppelten Rezeptorproteinen, MHC-I-Molekülen und Chemokinen aufweisen untersucht. Diese scheinen eine wichtige Rolle für die virale Replikation und Verteilung im Wirt zu spielen (Davis-Poynter et al., 1999). Chemokinhomologe von MCMV dienen der Anlockung von Leukozyten, Monozyten und Makrophagen und der damit verbundenen Verteilung der Viren im Wirt (Saederup et al., 1999).

• Der Mechanismus und die Folgen der kongenitalen CMV Infektion wurde durch mehrere Forschergruppen am Tiermodell untersucht (Baskar et al., 1983;Li und Tsutsui, 2000;Tsutsui, 1995). Im Mausmodell konnte allerdings keine transplazentäre Übertragung des Virus gezeigt werden.

• In den letzten Jahren kamen Tierexperimente zur Entwicklung von Impfstoffen dazu, wie z. B.:
  i) Die Impfung mit DNA ausgewählter CMV Gene (Gonzalez Armas et al., 1996). ii) Analysen der Impfung mit MCMV Mutanten gegen akute und latente Infektion über systemische oder mukosale Verabreichung (MacDonald et al., 1998). iii) Die Immunisierung mit MCMV DNA Plasmiden und durch Formalin abgetöteten Viren als effektive Methode gegen virale Replikation und Ausbreitung (Morello et al., 2002). Zusätzlich kam es zur Entwicklung eines Modells für die antivirale Therapie in immunsupprimierten Ratten (Stals et al., 1993).