Viren

Genom

Genomische Vielfalt unter Viren
Eigentum	Parameter
Nukleinsäure	RNA DNA Sowohl RNA als auch DNA (in verschiedenen Stadien des Lebenszyklus)
Form	Linear Rundschreiben Segmentiert
Gestrandetsein	Einsträngig Doppelsträngig Doppelsträngig mit einzelsträngigen Regionen
Sinn	Positiver Sinn (+) Negativer Sinn (-) Ambisense (+/-)

Es gibt eine Vielzahl genomischer Strukturen in Viren. Als Gruppe haben sie eine größere strukturelle genomische Vielfalt als Pflanzen, Tiere, Archaeen oder Bakterien. Es gibt Millionen verschiedener Arten von Viren, aber nur etwa 5.000 von ihnen sind im Detail beschrieben worden. ⁴⁹

Ein Virus besitzt entweder RNA- oder DNA-Gene und wird als RNA- bzw. DNA-Virus bezeichnet. Die überwiegende Mehrheit der Viren hat ein RNA-Genom. Pflanzenviren neigen dazu, einzelsträngige RNA-Genome zu haben, und Bakteriophagen neigen dazu, doppelsträngige DNA-Genome zu haben. ^96/99

Virus-Replikationszyklus: 1-Anlagerung, 2-Durchdringung, 3-Entschichtung, 4-Synthese (4a-Transkription, 4b-Translation, 4c-Genom-Replikation), 5-Montage, 6-Freisetzung

Replikationszyklus

Viruspopulationen wachsen nicht durch Zellteilung, weil sie keine Zellen haben. Stattdessen nutzen sie die Maschinerie und den Stoffwechsel einer Wirtszelle, um viele Kopien von sich selbst zu produzieren, und sie setzen sich in der Zelle zusammen (zusammengesetzt).

Der Lebenszyklus von Viren ist je nach Spezies sehr unterschiedlich, aber es gibt sechs grundlegende Phasen im Lebenszyklus von Viren:^75/91

• Attachment ist eine spezifische Bindung zwischen viralen Kapsidproteinen und spezifischen Rezeptoren auf der Wirtszelloberfläche.
• Die Penetration folgt der Anhaftung: Viren (einzelne Viruspartikel) gelangen durch rezeptorvermittelte Endozytose oder Membranfusion in die Wirtszelle. Dies wird oft als viraler Eintritt bezeichnet.
  Die Infektion von Pflanzen- und Pilzzellen unterscheidet sich von der von tierischen Zellen. Pflanzen haben eine starre Zellwand aus Zellulose, Pilze eine aus Chitin. Das bedeutet, dass die meisten Viren nur mit Gewalt in diese Zellen eindringen können. ⁷⁰ Ein Beispiel wäre: Ein Virus reist auf einem Insektenvektor, der sich von Pflanzensaft ernährt. Die Beschädigung der Zellwände würde das Virus eindringen lassen.
  Bakterien haben, wie Pflanzen, starke Zellwände, durch die ein Virus durchdringen muss, um die Zelle zu infizieren. Die bakteriellen Zellwände sind jedoch viel dünner als die pflanzlichen Zellwände, und einige Viren verfügen über Mechanismen, die ihr Genom über die Zellwand in die Bakterienzelle
  injizieren, während das Viruskapsid außen vor bleibt. ⁷¹
• Das Entschichten ist ein Prozess, bei dem das virale Kapsid entfernt wird: Dies kann durch Abbau durch virale Enzyme oder Wirtsenzyme oder durch einfache Dissoziation geschehen; das Endresultat ist die Freisetzung der viralen Nukleinsäure.
• Zur Replikation von Viren gehört die Vermehrung des Genoms. Dies erfordert gewöhnlich die Produktion von viraler Boten-RNA (mRNA) aus "frühen" Genen. Bei komplexen Viren mit grösserem Genom kann sich daran eine oder mehrere weitere Runden der mRNA-Synthese anschließen: Die "späte" Genexpression ist die von Struktur- oder Virionproteinen.
• Nach der strukturvermittelten Selbstassemblierung der Viruspartikel kommt es häufig zu einer gewissen Modifikation der Proteine. Bei Viren wie HIV tritt diese Modifikation (manchmal auch Reifung genannt) auf, nachdem das Virus aus der Wirtszelle freigesetzt wurde.
• Viren können durch Lyse aus der Wirtszelle freigesetzt werden, ein Prozess, der die Zelle tötet, indem er ihre Membran und Zellwand zum Platzen bringt. Dies ist ein Merkmal vieler bakterieller und einiger tierischer Viren.
  Bei einigen Viren wird das virale Genom durch genetische Rekombination an eine bestimmte Stelle im Chromosom des Wirts
  gesetzt. Das virale Genom wird dann als "Provirus" oder, im Falle von Bakteriophagen, als "Prophage" bezeichnet. ⁶⁰
  Immer wenn sich der Wirt teilt, wird auch das virale Genom repliziert. Das virale Genom ist innerhalb des Wirts meist stumm; irgendwann jedoch kann das Provirus oder der Prophage ein aktives Virus hervorbringen, das die Wirtszellen
  lysieren kann. ^{Kapitel 15}
  Umhüllte Viren (z.B. HIV) werden typischerweise aus der Wirtszelle freigesetzt, nachdem das Virus seine Hülle erhalten hat. Die Hülle ist ein modifiziertes Stück der Plasmamembran des Wirts. ^185/7

Genetisches Material und Replikation

Das genetische Material innerhalb der Viruspartikel und die Methode, mit der das Material vervielfältigt wird, variiert beträchtlich zwischen den verschiedenen Virustypen.

RNA-Viren

Die Replikation findet in der Regel im Zytoplasma statt. RNA-Viren können je nach ihren Replikationsmodi in vier verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Alle RNA-Viren verwenden ihre eigenen RNA-Replikase-Enzyme, um Kopien ihres Genoms zu erstellen. ⁷⁹

DNA-Viren

Die Genomreplikation der meisten DNA-Viren findet im Zellkern statt. Die meisten DNA-Viren sind vollständig von der DNA- und RNA-Synthesemaschinerie der Wirtszelle sowie von der RNA-Verarbeitungsmaschinerie abhängig. Viren mit größeren Genomen können einen Großteil dieser Maschinerie selbst kodieren. Bei Eukaryonten muss das Virusgenom die Kernmembran der Zelle durchqueren, um Zugang zu dieser Maschinerie zu erhalten, während es bei Bakterien nur in die Zelle eindringen muss. ⁵⁴⁷⁸

Umgekehrt transkribierende Viren

Reverse transkribierende Viren mit RNA-Genom (Retroviren) verwenden ein DNA-Intermediär zur Replikation. Diejenigen mit DNA-Genomen (Pararetroviren) verwenden während der Genomreplikation ein RNA-Intermediär. Sie sind anfällig für antivirale Medikamente, die das Enzym Reverse Transkriptase hemmen. Ein Beispiel für den ersten Typ ist HIV, das ein Retrovirus ist. Beispiele für den zweiten Typ sind die Hepadnaviridae, zu denen das Hepatitis-B-Virus gehört. ^88/9

Diese falsch gefärbte transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die ultrastrukturellen Details eines Influenzaviruspartikels oder "Virions". Das Influenzavirus ist ein einzelsträngiger RNA-Organismus.

Verteidigungsmechanismen des Gastgebers

Angeborenes Immunsystem

Die erste Verteidigungslinie des Körpers gegen Viren ist das angeborene Immunsystem. Dieses verfügt über Zellen und andere Mechanismen, die den Wirt vor jeder Infektion schützen. Die Zellen des angeborenen Systems erkennen Krankheitserreger und reagieren allgemein auf sie.

RNA-Interferenz ist eine wichtige angeborene Abwehr gegen Viren. Viele Viren haben eine Replikationsstrategie, die doppelsträngige RNA (dsRNA) einschließt. Wenn ein solches Virus eine Zelle infiziert, setzt es sein RNA-Molekül frei. Ein Proteinkomplex namens Würfelschneider klebt daran und hackt die RNA in Stücke. Dann beginnt ein biochemischer Weg, der als RISC-Komplex bezeichnet wird. Dieser greift die virale mRNA an, und die Zelle überlebt die Infektion.

Rotaviren vermeiden dies, indem sie sich im Inneren der Zelle nicht vollständig entbeschichten und neu produzierte mRNA durch Poren im inneren Kapsid des Partikels freisetzen. Die genomische dsRNA bleibt im Kern des Virions geschützt.

Die Produktion von Interferon ist ein wichtiger Wirtsabwehrmechanismus. Dabei handelt es sich um ein Hormon, das vom Körper produziert wird, wenn Viren vorhanden sind. Seine Rolle bei der Immunität ist komplex; es stoppt schließlich die Vermehrung der Viren, indem es die infizierte Zelle und ihre nahen Nachbarn tötet.

Adaptives Immunsystem

Wirbeltiere haben ein zweites, spezifischeres Immunsystem. Man nennt es das adaptive Immunsystem. Wenn es auf ein Virus trifft, produziert es spezifische Antikörper, die sich an das Virus binden und es nicht infektiös machen. Zwei Arten von Antikörpern sind wichtig.

Das erste, IgM genannt, ist hochwirksam bei der Neutralisierung von Viren, wird aber von den Zellen des Immunsystems nur für einige Wochen produziert. Das zweite, IgG genannt, wird auf unbestimmte Zeit produziert. Das Vorhandensein von IgM im Blut des Wirts wird zum Test auf eine akute Infektion verwendet, während IgG auf eine irgendwann in der Vergangenheit erfolgte Infektion hinweist. IgG-Antikörper werden gemessen, wenn Immunitätstests durchgeführt werden.

Eine weitere Verteidigung der Wirbeltiere gegen Viren ist die zellvermittelte Immunität. Sie umfasst Immunzellen, so genannte T-Zellen. Wenn eine T-Zelle dort ein verdächtiges virales Fragment erkennt, wird die Wirtszelle von Killer-T-Zellen zerstört und die virusspezifischen T-Zellen vermehren sich. Zellen wie Makrophagen sind Spezialisten für diese Antigenpräsentation.

Dem Immunsystem ausweichen

Nicht alle Virusinfektionen erzeugen eine schützende Immunantwort. Diese persistenten Viren entziehen sich der Immunkontrolle durch Sequestrierung (Verstecken), Blockierung der Antigenpräsentation, Zytokinresistenz, Umgehung der natürlichen Killerzellenaktivität, Flucht vor Apoptose (Zelltod) und Antigenverschiebung (Veränderung von Oberflächenproteinen). HIV entzieht sich dem Immunsystem durch ständige Veränderung der Aminosäuresequenz der Proteine auf der Oberfläche des Virions. Andere Viren, die als neurotropische Viren bezeichnet werden, bewegen sich entlang von Nerven an Orte, die das Immunsystem nicht erreichen kann.

Zwei Rotaviren: das rechte ist mit Antikörpern beschichtet, die es daran hindern, sich an Zellen anzulagern und diese zu infizieren.

Entwicklung

Viren gehören keinem der sechs Königreiche an. Sie erfüllen nicht alle Voraussetzungen, um als lebender Organismus eingestuft zu werden, da sie erst am Ort der Infektion aktiv sind. Dies ist jedoch nur ein verbaler Punkt.

Offensichtlich haben sie sich aufgrund ihrer Struktur und Wirkungsweise aus anderen Lebewesen entwickelt, und der Verlust der normalen Struktur tritt bei vielen Endoparasiten auf. Die Ursprünge der Viren in der Evolutionsgeschichte des Lebens sind unklar: Einige könnten sich aus Plasmiden entwickelt haben - DNA-Stücken, die sich zwischen Zellen bewegen können -, während andere sich aus Bakterien entwickelt haben könnten. In der Evolution sind Viren ein wichtiges Mittel des horizontalen Gentransfers, der die genetische Vielfalt erhöht.

Jüngste Entdeckungen

Bei einem kürzlich durchgeführten Projekt wurden fast 1500 neue RNA-Viren entdeckt, indem über 200 wirbellose Tierarten beprobt wurden. "Das Forschungsteam ... extrahierte ihre RNA und entschlüsselte mit Hilfe der Sequenzierung der nächsten Generation die Sequenz von erstaunlichen 6 Billionen Buchstaben, die in den RNA-Bibliotheken der Wirbellosen vorhanden sind". Die Forschung zeigte, dass Viren durch eine Vielzahl von genetischen Mechanismen Teile ihrer RNA veränderten. "Das Invertebraten-Virom [zeigt] eine bemerkenswerte genomische Flexibilität, die häufige Rekombinationen, lateralen Gentransfer zwischen Viren und Wirten, Gengewinn und -verlust und komplexe genomische Rearrangements umfasst.

Größter Virus

Eine Gruppe großer Viren infiziert Amöben. Das größte ist das Pithovirus. Andere in der Reihenfolge ihrer Größe sind das Pandoravirus, dann das Megavirus, dann das Mimivirus. Sie sind größer als einige Bakterien und unter einem Lichtmikroskop sichtbar.

Verwendet

Viren sind in der Zellbiologie weit verbreitet. Genetiker verwenden Viren häufig als Vektoren, um Gene in die von ihnen untersuchten Zellen einzuschleusen. Dies ist nützlich, um die Zelle dazu zu bringen, eine fremde Substanz zu produzieren, oder um die Wirkung der Einführung eines neuen Gens in das Genom zu untersuchen. Osteuropäische Wissenschaftler verwenden seit einiger Zeit die Phagentherapie als Alternative zu Antibiotika, und das Interesse an diesem Ansatz nimmt wegen der hohen Antibiotikaresistenz, die heute bei einigen pathogenen Bakterien zu finden ist, zu.