VIREN (Singular: das, umgangssprachlich auch: der Virus, von lat

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 tierund 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-B-
mRNA
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 (Lymphoadenopathieassoziiertes Virus) in Gebrauch waren. Das HIV-I ist ein umhülltes Virus mit relativ kleinem Capsid-Protein (MG.
24000), dessen reverse Transcriptase (2 Polypeptid-Ketten, 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 (TumorViren) 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 "VirusFabrik". 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 Virus-Nachkommen 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 (KaposiSarkom). 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.