Viren

VIREN
(Singular: das, umgangssprachlich auch: der Virus, von lat.: virus = Schleim, Gift). Bezeichnung
für aus Nucleinsäuren bestehende mobile genetische Elemente, d.h. nicht an einen bestimmten
Ort im Chromosom gebundene Gene, die aufgrund einer schützenden Protein-Hülle auch
außerhalb von Zellen transportiert werden können. Zu ihrer Vermehrung bedürfen Viren jedoch
der Biosynthese-Leistung einer Wirtszelle. Das virale Genom (die Gesamtheit der Gene eines
Virus) codiert für Proteine, die in Zusammenarbeit mit der Wirtszelle die Vervielfältigung des
Virus bewirken. Viren sind immer dann infektiös für jeweils bestimmte Zellen, wenn ein
geeigneter Mechanismus besteht, die Virus-Gene durch die Zellmembran einzuschleusen und in
Proteine umzusetzen. Trotz ihrer Infektiosität sind nicht alle Viren pathogen; man nimmt
vielmehr an, daß viele Viren unentdeckt bleiben, weil sie nicht pathogen sind. Man kennt heute
mehr als 400 human- und ferner zahlreiche tier- und pflanzenpathogene Viren, darunter solche
mit doppelsträngiger DNA wie Hepatitis B-, Warzen-, Pocken-, Herpes- und Adenoviren neben
solchen mit einzelsträngiger RNA wie Tabakmosaik-, Poliomyelitis-, Schnupfen-, Grippe-,
Masern-, Tollwut- und Leukämie-Virus usw.
Aufbau:
Die zwar voll entwickelten und infektiösen, aber extrazellulären und daher vorübergehend in
einer Ruhephase befindlichen Viren-Partikeln nennt man Virionen. Chemisch sind sie
Nucleoproteine (d.h. Komplexe aus Proteinen und Nucleinsäuren), die teilweise kristallisierbar
sind. Während in zellulären Organismen stets beide Typen von Nucleinsäuren, nämlich
Ribonucleinsäuren (RNA) und Desoxyribonucleinsäuren (DNA) anzutreffen sind, findet man in
Viren nur entweder RNA oder DNA als genetisches Material.
Die aus Protein-Untereinheiten (Capsomeren) bestehende Schutzhülle (Capsid) ist in der Regel
symmetrisch gebaut: Entweder sind die Einheiten wie die Stufen einer Wendeltreppe
aneinandergereiht, so daß sich eine Helix-Struktur (vgl. Abb. 1) ergibt, oder sie sind zu einem
geschlossenen Hohlkörper vereinigt, der eine höhere Symmetrie besitzt, siehe die Beispiel der
Ikosaeder in Abb. 2.
Im Unterschied zu den sogenannten "nackten" Viren ist bei den "umhüllten" Viren das
Nucleocapsid (d.h. das Capsid mit den enthaltenen Nucleinsäuren) noch von einem äußeren
Mantel sehr komplizierter Zusammensetzung umgeben, der neben Proteinen auch Kohlenhydrate
und Lipide enthält. Der Durchmesser von Virionen variiert zwischen 10 und 300 nm, und
unterschiedlich ist auch ihre Gestalt, wie Abb. 2 zeigt. Sie haben die Form von Kügelchen,
Stäbchen, Spiralen, Würfeln, Quadern, Polyedern, Nadeln und Ellipsoiden. Viren, die Tiere und
Menschen befallen, kristallisieren sehr viel schwerer als die in Pflanzen gefundenen Viren; erst
1955 gelang es, den Poliomyelitis-Erreger kristallin darzustellen.
Klassifizierung:
Viren, die Bakterien befallen, werden meist als Bakteriophagen oder Phagen bezeichnet. Eine
1982 publizierte internationale Klassifikation der Viren kennt 55 Viren-Familien. Aufgrund der
Art der Nucleinsäure des Virions (DNA oder RNA, einsträngig oder doppelsträngig) und
aufgrund der Zwischenträger der genetischen Information bis zur Bildung der Messenger-RNA
unterscheidet man nach Baltimore 6 Klassen tierischer Viren, siehe Tabelle 1.
Klasse
Virion-Nucleinsäure
Informationsfluß bis zur
Bildung der mRNA
I
Virus
dsDNA
mRNA
II
ssDNA
III
dsRNA
IV
(+)-RNA
V
(-)-RNA
VI
(+)-RNA
dsDNA
Hepatitis-BmRNA
Parvovirus B 19
mRNA
(-)-RNA
Reovirus
mRNA
mRNA
(-)-DNA
Beispiel
dsDNA
Poliovirus
Tollwut-Virus
mRNA
HIV-1
Tabelle 1: Baltimore-Klassifizierung der Viren. [ds = doppelsträngig, ss = einsträngig; (+)-RNA
bzw. -DNA enthält dieselbe bzw. im wesentlichen dieselbe Nucleotid-Sequenz wie die
zugehörige mRNA, (-)-RNA bzw. -DNA dagegen die Komplementäre].
Retroviren:
RNA-Viren der Klasse VI (s. Tab. 1), die besondere Beachtung erfahren haben, enthalten die
sogenannte reverse Transcriptase, eine von Temin entdeckte Polymerase, die die virale RNA in
DNA transkribiert, damit diese in die Chromosomen-DNA der Wirtszelle integriert werden kann.
Solche Viren werden als Retroviren bezeichnet. Zu ihnen zählen auch die Lentiviren (eine
Unterfamilie langsam wirkender Viren) wie z.B. das von Montagnier (Paris 1983) entdeckte
AIDS auslösende HIV-I (human immunodefiency virus I; Abb. 3), für das auch Benennungen
wie HTLV-III (human T-cell lymphotropic virus type III), ARV (Aids related virus) oder LAV
(Lymphoadenopathie-assoziiertes Virus) in Gebrauch waren. Das HIV-I ist ein umhülltes Virus
mit relativ kleinem Capsid-Protein (MG. 24000), dessen reverse Transcriptase (2 PolypeptidKetten, MG. 66000 bzw. 51000) durch Magnesium-Ionen aktiviert wird.
Abb. 3: HIV-I-Virion (gp41, gp120: Glykoproteine mit MG. 41000 bzw. 120000; p18: Protein
mit MG. 18000; p24: Capsid-Protein; rT: reverse Transcriptase).
Tumor-Viren:
Bestimmte Pflanzenkrebs-Formen und tierischer Tumoren werden durch bestimmte Retro- und
auch Viren (Tumor-Viren) hervorgerufen, da diese Viren Onkogene enthalten, die normalen
Zellgenen ähneln und ins Wirtsgenom integriert werden können. Beim Menschen sind bisher nur
wenige Viren als für die Entstehung bösartiger Tumoren verantwortlich nachgewiesen worden,
z.B. das Epstein-Barr-Virus, das zu den umhüllten Herpes-Viren gehört und außer Pfeifferschem
Drüsenfieber den sogennanten Burkitt-Tumor erzeugt.
Viroide, Virusoide und Satelliten-RNA:
Seit längerem sind auch pflanzliche Retroviren bekannt, denen die Proteinhülle fehlt und die nur
aus zirkulärer RNA bestehen. Diese codiert nicht für Proteine, so daß das Virus ganz auf die
Enzyme der Wirtspflanze angewiesen ist. Für derartige "kleinste Viren" hat man den Begriff
Viroide eingeführt. Sind solche RNA (als "RNA2") zusätzlich zum normalen Genom ("RNA1")
in einem Virion vorhanden, so bezeichnet man sie als Virusoide. Sind sie für die Infektiosität
und Vermehrung des Virus nicht nötig, so spricht man von Satelliten-RNA; diese reisen quasi
"per Anhalter" mit Helfer-Viren von Genom zu Genom. Die Satelliten-RNA stehen den
Retro(trans)posons nahe, die allerdings - weniger reiselustig - im selben Genom verbleiben. Bei
Coviren ist das Virus-Genom auf zwei Virionen verteilt; beide Partikeln sind dann zur Infektion
nötig. Viroide und wohl auch die Viren der Eukaryonten stammen wahrscheinlich von Introns
der Gruppe I ab.
Prionen und Virinos:
Für Erkrankungen wie z.B. Scrapie (eine zerebrale Infektionskrankheit von Schafen und Ziegen),
die Rinderseuche BSE (bovine spongiforme Enzephalopathie), die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit
(langsame Degeneration des Zentralnervensystems) und die Kuru-Krankheit der früheren
Kannibalen von Neu-Guinea werden unter anderen potentielle Retroviren verantwortlich
gemacht . Nach einer anderen Theorie bestehen die Überträger jedoch nur aus infektiösem
Protein, weshalb sie Prionen genannt werden. Man nimmt an, daß das Prion-Protein (PrP) vom
Wirtsgenom codiert wird und in seiner infektiösen Form in der Zelle eine Protein-Modifizierung
bewirkt. Allerdings kommt wohl eine genetische Empfänglichkeit für diese Krankheiten hinzu.
Eine andere Hypothese sagt, daß es beim Scrapie-Erreger um ein sogenannten Virino, d.h. er
enthält zusätzlich zum PrP eine Information, eventuell in Form einer sehr kleinen, spezifischen
regulatorischen Nucleinsäure.
Entwicklungszyklus:
Als Überträger von Viren spielen Insekten wie Stechmücken, ferner Zecken und Milben eine
große Rolle - erinnert sei an die im Frühsommer in bestimmten mitteleuropäischen
Waldregionen auftretende Zecken-Enzephalitis, eine Zoonose. Die virale Infektion beginnt mit
der Adsorption der wirtsspezifischen Viren an geeigneten Zelloberflächen. Bei der Infektion
höherer Zellen gelangen hüllenlose Viren durch Pinocytose in das Zellinnere, während bei
umhüllten Viren die Hülle mit der Zellmembran verschmilzt und nur das Nucleocapsid eindringt.
Bei bestimmten Bakteriophagen dringt nur die Erbsubstanz (DNA bzw. RNA) des Virus durch
die Zellwand in die Zelle ein.
Die virale Nucleinsäure veranlaßt nun den biochemischen Apparat der Zelle zur Synthese der für
ihre Replikation erforderlichen Enzyme sowie zur Produktion von Capsid-Protein: Die
Wirtszelle wird umprogrammiert zur "Virus-Fabrik". Die Produktion verläuft über die in der
Tabelle 1 angegebenen Zwischenstufen und führt zur Biosynthese der Proteine durch Translation
der viralen mRNA. Die neugebildeten Replikations-Enzyme vervielfältigen das Virus-Genom,
das von den ebenfalls neugebildeten Capsid-Proteinen eingeschlossen wird; so bilden sich
zahlreiche neue Viren, die wieder freigesetzt werden können. Die Freisetzung der VirusNachkommen erfolgt oft durch lytische Virus-Enzyme, die die Zellmembran öffnen, bei
behüllten Viren vielfach auch durch eine Art Knospung (engl.: budding), indem die Partikeln
von der Zellmembran umhüllt und nach außen abgeschnürt werden.
Der oben beschriebene Verlauf ist der sogenannte lytische Zyklus, der von virulenten Viren
beschritten wird. Im Gegensatz dazu kommt es bei temperenten Viren zunächst zum lysogenen
Verlauf: Es wird (z.B. bei Retroviren) Doppelstrang-DNA synthetisiert und als sogennanter
Provirus ins Wirtsgenom integriert. Mit den Wirtsgenen zusammen wird es bei jeder Zellteilung
verdoppelt und weitervererbt, bis schließlich durch ein Induktions-Ereignis die Expression der
Virusgene eingeleitet wird.
Die sowohl vom Virus- als auch vom Zelltyp abhängige Veränderung des Wirtsgenoms kann zu
einer Umwandlung der Wirtszelle in eine Tumorzelle mit unkontrolliertem Zellwachstum führen
sowie (bei Befall durch Lentiviren) zu erst nach monate- bis jahrelangen Inkubationszeiten
auftretenden Funktionsstörungen der Zelle (Beisp.: AIDS).
Abkürzung für aquired immunodeficiency syndrome. AIDS bezeichnet ein Krankheitsbild, dem
eine defekte zellgebundene Immunabwehr zugrundeliegt und bei dem eine Infektion mit dem
human immunodeficiency virus (HIV) nachgewiesen ist. Für die von AIDS betroffenen
Menschen sind verschiedene Infektionskrankheiten lebensbedrohend. Sie bekommen ferner
seltene Tumoren. Die ersten Fälle traten 1981 in den USA bei homosexuellen Männern auf.
Seitdem hat sich diese Krankheit zunehmend weiter verbreitet, im Jahre 1988 zählte man in den
USA mehr als 69000 Fälle, weltweit wurden 1 bis 10 Millionen angenommen.
Die Ursache des AIDS ist die Infektion mit einem Retrovirus, dem HIV, welches vor allem eine
bestimmte Gruppe von Lymphocyten befällt. Dadurch wird das Zusammenspiel der am
Immunsystem beteiligten Zellen stark gestört, so daß die körpereigene Abwehr von
Krankheitserregern zusammenbricht. Die Folge sind schwere und lebensbedrohliche Verläufe
von Infektionskrankheiten (Lungen-entzündungen, Darmentzündungen, Hirnhautentzündungen),
auch von solchen, die normalerweise nicht oder in milderer Form auftreten. Auch kommt es zur
Bildung von Tumoren der Lymphknoten (Lymphome) und der Gefäße in Haut und inneren
Organen (Kaposi-Sarkom). Ein Befall der Zellen des Zentralnervensystems mit dem Virus führt
zu Störungen von Hirnfunktionen. Die Übertragung des HIV geschieht in erster Linie durch
Sexualkontakt aber auch über Blut und Blutprodukte (unsaubere Injektionsnadeln,
Transfusionen) und während der Geburt von der Mutter auf das Kind. So sind die meisten
Infizierten unter den homosexuellen Männern, den Abhängigen von intravenösen Drogen sowie
den an Hämophilie erkrankten und den Empfängern von Bluttransfusionen und Plasmaderivaten
zu finden. Die Infektion wird durch den Nachweis von Antikörpern gegen das HIV im Blut der
Patienten nachgewiesen. Man nimmt an, daß 20 bis 30% der HIV-infizierten Menschen
innerhalb von 5 Jahren AIDS entwickeln. Eine wirksame Vorbeugung und Behandlung
beschränkt sich derzeit noch auf die Infektionserkrankungen und Tumoren, für den
zugrundeliegenden Immundefekt gibt es keine Therapie. Die Stellung verschiedener antiviraler
Substanzen wie Suramin, Ribavirin, Azidothymidin und in jüngster Zeit der Dextransulfate in
der AIDS-Therapie ist noch nicht beurteilbar.
Bekämpfung:
Einen gewissen Schutz gegen virale Infektionen bietet die Hygiene zusammen mit Maßnahmen
der Entkeimung. Bei der Bekämpfung der Viren mit chemischen Mitteln versagen jedoch viele
der Bakterizide und Desinfektionsmittel, weil Viren im Inneren der Wirtszellen nur schwer
zugänglich sind. Im Laufe der Jahre sind allerdings eine Reihe von brauchbaren antiviralen
Chemotherapeutika (Virostatika bzw. Viruziden oder Viriziden) entwickelt worden, die
spezifisch gegen einzelne Viren wirksam sind. Besonders erfolgversprechend erscheinen hier die
Antimetaboliten. Gegen schwere Herpes-Virus-Infektionen haben sich auch Interferone als
wirksam erwiesen, wohingegen die großen Hoffnungen, die man in diese für die Krebs-Therapie
gesetzt hatte, sich nicht erfüllt haben. Bei einer Reihe von Virus-Erkrankungen tritt nach
überstandener Erstinfektion lebenslange Immunität ein; durch Impfen mit entsprechenden
Impfstoffen läßt sich vielfach ebenfalls eine Immunisierung oder Resistenz erreichen - auf diese
Weise sind z.B. Poliomyelitis (Kinderlähmung) und Pocken weltweit eingedämmt bzw.
ausgerottet worden. Schwierigkeiten besonderer Art entstehen durch das periodische Auftreten
mutanter Viren, was - wie im Fall der Grippeerreger - die rasche Herstellung der für einen
wirksamen Impfschutz notwendigen Vaccinen kompliziert.
Verwendung:
Die oft schädlichen Viren könnten auch nützliche Funktionen erfüllen, beispielsweise als
Bakteriophagen bei der Vernichtung pathogener Bakterien, oder möglicherweise als Vektoren
zur Übertragung von Genen, z.B. zur Heilung von Erbkrankheiten durch Gentherapie oder zur
gentechnologischen Produktion, Ertrags- und Resistenz-Steigerung bei Pflanzen. Weiter
fortgeschritten ist die Verwendung von Viren bei der biologischen Schädlingsbekämpfung,
wobei wegen der Wirtsspezifität insektenpathogener, für den Menschen nach bisherigem Wissen
ungefährlicher Viren ein gezielter, umweltfreundlicher Einsatz im integrierten Pflanzenschutz
möglich scheint. Ein in Baumwollkulturen erfolgreich eingesetztes Virus ist das NPV (nuclear
polyhedrosis virus).
Geschichtlich:
D. I. Iwanowski (1864-1920, Prof. in Petersburg und Warschau) konnte 1892 zeigen, daß die
Säfte kranker Pflanzen auch dann noch ansteckend wirkten, als man sie durch Filter goß, die alle
gewöhnlichen Bakterien zurückhielten. Ein derartiger Saft wurde ursprünglich als Virus
bezeichnet, wenn er Krankheitserreger enthielt, die viel kleiner sind als Bakterien. Für lange Zeit
blieb die Frage nach der biologischen Natur dieser unfiltrierbaren Agentien ungeklärt. Erst die
Entdeckung der Bakteriophagen durch D'Herelle (1917) ebnete der Virus-Forschung neue Wege;
1935 gelang es erstmals, das von Iwanowski entdeckte Virus (Tabakmosaikvirus) zu
kristallisieren.
Entscheidende Impulse erhielt die Virologie von der Molekularbiologie, insbesonders durch die
Arbeiten der im folgenden erwähnten Nobelpreisträger (für Physiologie oder Medizin, in
Klammern Jahr der Auszeichnung): Jacob, Lwoff und Monod (1965) beschäftigten sich mit der
genetischen Kontrolle von Enzymen und Viren, Delbrück, Hershey und Luria (1969) mit deren
Vererbungsmechanismus, Baltimore, Dulbecco und Temin (1975) entdeckten die reverse
Transcriptase in Tumorviren. Gajdusek (1976 zusammen mit B. S. Blumberg) entwickelte das
Konzept der langsamen Viren (Lentiviren). Weitere Fortschritte brachten die Entdeckung der
Restriktions-endonucleasen durch Arber (1978), die Arbeiten von Sanger, Gilbert und Berg
(Chemie 1980) zu Analytik und Aufbau von Nucleinsäuren, die Herstellung monoklonaler
Antikörper durch Milstein und Köhler (1984), die Untersuchung von Tonegawa (1987) über die
genetische Grundlagen der Differenzierung von B-Lymphocyten sowie die Studien von Bishop
und Varmus (1989) an Retroviren und Onkogenen.
© by Dennis Hauptkorn, Februar 2002