Coronaviren können sowohl den Menschen als auch zahlreiche Tierspezies infizieren und verursachen vor allem respiratorische und enterale Erkrankungen. Die Replikation des etwa 27-32 kb großen, einzelsträngigen RNA-Genoms positiver Polarität und die Synthese zahlreicher subgenomischer RNAs erfolgt durch einen Multi-Enzym-Komplex, der bis zu 16 virale nichtstrukturelle Proteine (nsp) und einige zelluläre Proteine umfaßt. Die einzelnen nichtstrukturellen Proteine werden durch proteolytische Prozessierung der vom Replikasegen kodierten Vorläufer-Polyproteine (pp1a/pp1ab) unter Beteiligung viraler Proteasen freigesetzt. Das größte replikative Protein, nsp3, befindet sich im aminoterminalen Bereich der Polyproteine pp1a/pp1ab. Trotz des geringen Konservierungsgrades dieser Region wurden bestimmte funktionelle Domänen, die in allen coronaviralen nsp3 konserviert sind, identifiziert. Dazu gehören: eine saure Domäne, zwei Papain-ähnliche Proteasen (PL1pro und PL2pro) sowie zwei weitere konservierte Domänen (X- bzw. Y-Domäne). Frühere Studien konzentrierten sich vor allem auf die PLpro-Domänen, während die Funktionen der anderen nsp3-Domänen bisher nicht untersucht wurden. Um weitere Einblicke in die nsp3-vermittelten Aktivitäten und ihre Funktionen im coronaviralen Lebenszyklus zu gewinnen, wurden im Rahmen dieser Arbeit die enzymatischen Aktivitäten von zwei nsp3-Domänen, PLpro und X, näher charakterisiert. Coronavirale Papain-ähnliche Proteasen spalten den aminoproximalen Bereich der Polyproteine pp1a/pp1ab und sind somit an der Freisetzung von nsp1, nsp2 und nsp3 beteiligt. In der vorliegenden Arbeit wurde die durch die PLpro vermittelte proteolytische Prozessierung des N-terminalen Endes von nsp3 bei TGEV und SARS-CoV analysiert. Übereinstimmend mit früheren Vorhersagen ergaben In-vitro-Translationsexperimente und Proteinsequenzierungen, dass die TGEV-PL1pro die Peptidbindung zwischen Gly879 und Gly880 spaltet, wodurch das aminoterminale Ende von nsp3 bzw. das carboxyterminale Ende von nsp2 freigesetzt werden. Diese Schnittstelle entpricht bei SARS-CoV der Sequenz Gly818|Ala819, die jedoch bei diesem Virus von der PL2pro prozessiert wird. Mutationsanalysen ergaben weiterhin, dass die Reste Cys1093 (TGEV-PL1pro) und Cys1651 (SARS-CoV-PL2pro) für die proteolytische Aktivität essentiell sind. Diese Daten stützen Vorhersagen zu möglichen katalytischen (nukleophilen) Funktionen dieser beiden Reste. Darüber hinaus wurde das stromaufwärts gelegene nsp2 in TGEV-infizierten Zellen identifiziert. Diese Daten, zusammen mit vorherigen Studien, legen den Schluss nahe, dass die Coronavirus-PLpro-vermittelte proteolytische Prozessierung –trotz der geringen Konservierung des Polyproteinsubstrates und bestehender Unterschiede hinsichtlich der Anzahl konservierter PLpro-Domänen– weitgehend konserviert ist. Im zweiten Teil der Arbeit sollte die enzymatische Aktivität einer weiteren konservierten Domäne im coronaviralen nsp3, der sogenannten X-Domäne, untersucht werden. Für diese Domäne war eine ADP-Ribose-1"-Monophosphatase-Aktivität (Appr-1"-pase) vorhergesagt worden. Um die Eigenschaften dieser Proteine näher zu bestimmen und möglicherweise existierende Gemeinsamkeiten zwischen coronaviralen Enzymen, die den viralen Lebenszyklus steuern und/oder kontrollieren, zu identifizieren, wurden die X-Domänen von drei verschiedenen Coronaviren, HCoV-229E, TGEV und SARS-CoV, die unterschiedlichen serologischen Coronavirus-Gruppen angehören, in vitro untersucht und miteinander verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass bakteriell (E.coli-) exprimierte X-Domänen aller drei untersuchten Viren ADP-Ribose-1"-Phosphat, ein Nebenprodukt des zellulären tRNA-Splicings, zu ADP-Ribose dephosphorylieren können. Diese Daten beweisen zweifelsfrei die Appr-1"-pase-Aktivität coronaviraler X-Domänen und lassen vermuten, dass diese Aktivität bei allen Coronaviren konserviert ist. Weitere Untersuchungen zur Substratspezifität und zu möglichen katalytischen Resten des Enzyms wurden mit Hilfe bakteriell exprimierter, mutierter Formen der HCoV-229E-X-Domäne durchgeführt. Die gewonnenen Daten legen die Vermutung nahe, dass die Phosphohydrolaseaktivität hochspezifisch für das Substrat Appr-1"-p ist und die HCoV-229E-pp1a/pp1ab-Reste Asn1302, Asn1305, His1310, Gly1312 und Gly1313 an der Ausbildung des aktiven Zentrum des Enzyms beteiligt sind. Abschließend wurde die Funktion der Appr-1"-pase-Aktivität mit Hilfe einer HCoV-229E-Mutante, in der die Appr-1"-pase-Aktivität durch ortsspezifische Mutagenese ausgeschaltet wurde, in Zellkultur analysiert. Überraschenderweise hatte die Mutation keine nachweisbare Auswirkung auf die virale RNA-Synthese oder den Virustiter, und sie erwies sich auch nach sechs Passagen in Zellkultur als stabil. Die Tatsache, dass die Appr-1"-pase-Aktivität für die Replikation und Transkription von HCoV-229E entbehrlich ist, zeigt, dass Coronavirus-Replikasegene auch nichtessentielle Funktionen kodieren, die möglicherweise akzessorische und/oder regulatorische Funktionen besitzen und nur unter bestimmten Bedingungen (z.B. im infizierten Wirt) einen Selektionsvorteil bieten bzw. essentiell sind. Weitere Studien sind erforderlich, um die biologische Funktion der X-Domäne im Detail zu bestimmen.Coronaviruses infect humans and a broad range of animal spezies and are mainly associated with respiratory and enteric diseases. Replication of the single-stranded, positive-sense RNA genome of 27-32 kb and production of an extensive set of subgenome-length RNAs (viral transcription) are mediated by a huge multienzyme complex which contains several cellular proteins and up to 16 viral nonstructural proteins (nsp) that are released by viral proteases from the replicase gene-encoded polyprotein precursors, pp1a and pp1ab. The largest coronaviral replicative processing product, nsp3, resides in the N-terminal part of polyproteins pp1a and pp1ab. Despite the generally low conservation of this protein among coronaviruses, several domains could be identified in nsp3 that are conserved in all coronaviruses. These include an acidic domain, one or two papain-like proteases (PL1pro and PL2pro), and two additional domains designated X and Y. Previous studies on nsp3 focused mainly on the characterisation of the PLpro activities while the functions of other nsp3-domains have not been addressed in any detail. To gain more insight into nsp3-encoded activities and their functions in the coronaviral life cycle, two nsp3-associated enzymatic activities, PLpro and X, were characterized in this work. Coronaviral papain-like proteases process the N-proximal part of polyproteins pp1a/pp1ab, thus producing nsp1, nsp2 and nsp3. In this study, the PLpro-mediated cleavage at the N-terminal end of nsp3 was analyzed for TGEV and SARS-CoV. Consistent with previous predictions, in vitro translation experiments and protein sequencing revealed that the TGEV-PL1pro cleaves the polyproteins pp1a/pp1ab at 879Gly|Gly880, releasing the carboxyl- and amino-terminal ends of nsp2 and nsp3, respectively. The corresponding cleavage site in the pp1a/pp1ab of SARS-CoV was shown to be processed by PL2pro at 818Gly|Ala819. A mutational analysis showed that the residues Cys1093 (TGEV PL1pro) and Cys1651 (SARS-CoV PL2pro) are essential for proteolytic activity, confirming previous predictions on their catalytic (nucleophilic) functions. Consistent with the in vitro cleavage data, the upstream processing product, nsp2, could be identified in TGEV-infected cells. The data, together with previous studies, suggest that coronaviral PLpro-mediated proteolytic cleavages –despite the low conservation of the polyprotein substrate and even variation in the number of catalytically active PLpro domains– occur in a largely conserved manner. The second part of this work was devoted to identifying and characterising the ADP-ribose-1"-monophosphatase (Appr-1"-pase) activity predicted to be associated with another conserved nsp3-subdomain called X. To characterise the features and identify possibly existing common properties among the enzymes that mediate and/or regulate the coronavirus life cycle, the activities of X domains from three coronaviruses, HCoV-229E, TGEV and SARS-CoV, which belong to different coronavirus serogroups, were investigated in vitro and compared with each other. By using E. coli-expressed forms of these three viral X domains, it could be demonstrated that all these proteins are able to dephosphorylate ADP-ribose-1"-phosphate, a side product of cellular tRNA splicing, to produce ADP-ribose. The data unambiguously establish the Appr-1"-pase activity of coronaviral X domains and suggest that the activity is conserved in all coronaviruses. Further studies into the substrate specificity and possible active-site residues, which were done by using mutant forms of the bacterially expressed HCoV-229E X domain, led us to suggest that the phosphohydrolase activity is highly specific for the substrate Appr-1"-p and predict that that the replicase polyprotein residues, Asn1302, Asn1305, His1310, Gly1312, and Gly1313, are part of the enzyme's active site. Finally, effects on viral RNA synthesis and virus reproduction were studied by using an Appr-1"-pase-deficient HCoV-229E mutant. Surprisingly, neither viral RNA synthesis nor virus titer was found to be affected and no reversion to the wild-type sequence was detected when the mutant virus was passaged in cell culture. Taken together, the data suggest that coronavirus replicase genes also encode non-essential functions. Although being dispensable in tissue culture, such accessory and/or regulatory functions might be a selective advantage or even prove to be essential for viral replication in the infected host. The biological significance of this novel enzymatic activity remains to be identified
