Virologie

Virologie
Professor Dr. med. U.G. Liebert
Institut für Virologie
Johannisallee 30
Tel. 97 14 300
E-mail: [email protected]
Virale Erkrankungen
Neue Virusinfektionen
„Emerging Virus Infections“
1973
Rotavirus
1980/82 HTLV I, HTLV II
1983
HIV
1988
HEV
1988
HHV6
1989
HCV
1993
Sin-Nombre-Virus
1996
Borna-Virus
1999
West-Nil-Virus
2003
SARS-CoV
1997/2005 H5N1 & H7 IVA
2009
H1N1/09 SOIV
Durchfallerkrankungen bei Kindern
Lymphome/Leukämie
AIDS
Hepatitis E
Dreitagefieber (Exanthema subitum)
Hepatitis C, Leberzellkarzinom
Hantavirus Pulmonary Syndrome
Psychiatrische Erkrankungen
Myokarditis, Enzephalitis
Atemwegserkrankung
„Vogelgrippe“ - Virus-Grippe
„Schweinegrippe“
Erreger von Infektionskrankheiten
Parasiten
Pilze
Bakterien
Viren
Epidemiologie
Übertragungswege
Inkubationszeit
Pathogenität
Immunsystem
-
Durchseuchung
Kontagiosität
Ausbreitung
Virulenz
Rekonvaleszenz
Größe von Infektionserregern
Durchmesser menschliches Haar 100µ
µm
1nm
10nm
100nm 1µm
10µm
100µm
Flugasche
Pollen
Sporen
Moleküle
Meersalz
Mehl
Bakterien
Viren
1mm
10mm
Unterschiede zwischen Infektionserregern
Eigenschaft
Bakterien
Viren
Intrazelluläre
Vermehrung
möglich
ja
Nukleinsäure
DNA & RNA
DNA oder RNA
Struktur
Zellen
nicht zellulär
Vermehrung
Teilung
Assembly
Energiegewinnung
ja
nein
Proteinsynthese
ja
nein
Antibiotika suszeptibel
ja
nein
Der Virusbegriff
Virus, lat. Gift (ein “infektiöses” Agens)
Toxin, gr. Gift (von Organismen ausgeschieden)
Martinus Willem Beijerinck:
Der Erreger der Mosaikkrankheit bei Tabakpflanzen ist ein Doppelwesen in Gegenwart von Wirtszellen verhält es sich wie eine konventionelle Mikrobe,
in zellfreiem Nährmedium wie ein Gift (titrierbar!).
Eigenschaften von Viren
Viren sind obligate Zellparasiten
• Keine Virusvermehrung außerhalb von lebenden Zellen
• keine Organellen
Viren sind filtrierbare Partikel (Größe zwischen 25 und 200 nm)
Viren folgen einem einfachen Bauprinzip
Nukleinsäure (DNA oder RNA)
Protein
Lipid
Sonderfälle: nur infektiöse RNA →
nur infektiöses Protein →
Viroid
Prion
Eigenschaften von Viren
Definition: Viren sind ultramikroskopische, obligate Zellparasiten
•
virales Genom nur ein Nukleinsäuretyp (DNA oder RNA)
•
Kapsid und evtl. Lipidhülle
•
Virusreplikation abhängig von Wirtszelle
•
Viren nutzen zur Energiegewinnung Enzyme und den
proteinsynthetisierenden Apparat der Wirtszelle
•
Umprogrammierung des Wirtsstoffwechsels zur
bevorzugten Synthese viraler Proteine
Definitionen
Virion
vollständiges (komplettes und reifes) Viruspartikel
Es besteht immer aus dem Kapsid und der
Nukleinsäure (virales Genom).
Darüber hinaus kann es von einer Hülle (Envelope)
umgeben sein.
Unkonventionelle „Viren“
Viroide
(infektiöse zirkuläre RNA, pflanzenpathogen)
Prionen
(proteinaceous infectious agents; TSE-Erreger)
Satellitenviren (z.B. Delta-Agens, benötigt Helfervirus;
zirkuläre Einzelstrang-RNA)
Aufbau von Viren
Lipidhülle
Hüllproteine
Nukleinsäure
Kapsid
Virusstruktur
Kapsid
Proteinmantel, der direkt das virale Genom
umgibt (coat, shell)
Kapsomer
Untereinheiten des Kapsids, oligomere Proteine
Nukleokapsid Virales Genom + Kapsid, Substruktur
funktionelle Einheit
Hülle
Lipid-Doppelmembran, assoziiert mit
Glykoproteinen (envelope)
Virion
Viruspartikel
Virus
Gesamtheit aller Viruspartikel
Kapsidformen
kubisch
(ikosaedrisch)
(Herpesviren,
Picornaviren,
Adenoviren)
komplex
(Pocken,
Reoviren,
Lentiviren)
helikal
(Influenzaviren,
Paramyxoviren)
Klassifikation von Viren
Virion
Morphologie
Physikochemische u. physikalische
Eigenschaften
Genomorganisation und
Replikationsstrategie
Zahl und Position der ORFs,
Charakteristiken von Transkription u.
Translation, posttranslationale
Prozessierung, Ort der Kapsid- und
Vironenbildung, Art der Virionfreisetzung
Antigene Eigenschaften
Serotypen
Biologische Eigenschaften natürliche Wirte, Transmissionswege,
Vektorbeziehungen, Geographische
Verteilung, Pathogenität,
Gewebetropismus, (Histo-)Pathologie
Klassifikation von Viren
seit 1966 International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV)
3 Ordnungen, 73 Familien, 9 Unterfamilien, 287 Gattungen,
mehr als 30.000 Viren (Serotypen und Varianten)
Nukleinsäuretyp
Grad der Sequenzhomologie
Art des Kapsids, Vorhandensein einer Hülle
Virusfamilie
Subfamilie
Virusgenus und Spezies
Virusstamm
Suffix „-viridae“
Suffix „-virinae“
Suffix „-virus“
Klassifikation von Viren
Aktuelle Definition:
Eine Virus-Spezies ist definiert als eine polythetische Klasse von
Viren, die zueinander in einer gemeinsamen Entwicklungslinie
stehen und eine besondere ökologische Nische besetzen
(van Regenmortal, 1990).
Aufbau von Viren
•
Genom: DNA: ds, linear oder zirkulär
ss
RNA: ds, ss, linear, segmentiert
+Strang-Orientierung (mRNA)
-Strang-Orientierung
•
Kapsid: Proteinmantel aus Kapsomeren (Polypeptiden)
Nukleinsäure + Kapsid = Nukleokapsid
Symmetrie: ikosaedrisch - helikal - komplex
Familien humanpathogener DNA-Viren
Symmetrie
kubisch kubisch
kubisch
kubisch
kubisch
komplex
Aufbau
nackt
nackt
nackt
umhüllt
umhüllt
komplex
Kapsidbildung im
Kern
Kern
Kern
Zytoplasma
Kern
Zytoplasma
Bildung der Hülle
-
-
-
Zytoplasma
Kern
Zytoplasma
Ätherresistenz
nein
nein
nein
ja
ja
nein
72
252
-
162
-
45-55
70-90
40-50
150-200
oval
200x350
5-8
36-38
3
125-240
130-250
Adenovirus
Hepadnavirus
Herpesvirus
Poxvirus
Anzahl Kapsomere 32
Durchmesser (nm)
18-26
Genomgröße (kb)
4-6
Virusfamilie
Parvo- Papillomvirus
virus
Replikation nackter und umhüllter Viren
Stadien der Virusvermehrung
•
•
•
•
•
•
•
Attachment
Penetration
Uncoating
Replikation
Transkription/Translation
Assembly
Release & Maturation
Rezeptorvermitteltes Attachment
Zellmembran-Rezeptoren für Viren
Virus
Rezeptormolekül
Influenzaviren
HIV
Epstein-Barr-Virus
Rhinovirus
Masernvirus
Lyssavirus (Tollwut)
Vaccinia-Virus
Reovirus Typ 3
Sialinsäure Glykoprotein
CD4 und Chemokinrezeptoren
C3d-Rezeptor (CD21)
ICAM-1
CD46, SLAM
Acetylcholin-Rezeptor
Rezeptor des Epidermal Growth Factor
β-adrenerger Hormonrezeptor
Penetration und Uncoating
Endosom
alternativ: Endozytose
Membrandiffusion
Fusion
Lysosom, Proteasen, pH
Eklipse (Virusfinsternis):
Verlust der Infektiosität
Synthese von Nukleinsäure und Proteinen
Replikation Genexpression Vermehrung des Genoms
DNA → RNA (Transkription - Translation - Replikation)
(+)Strang RNA-Viren: Genom = mRNA (Translation - Replikation)
(-)Strang RNA-Viren: Transkription - Translation - Replikation
(replikatives Intermediat)
Retroviren: RNA → DNA → RNA
(Reverse Transkription, Integration ins Wirtsgenom Transkription/Replikation - Tranlsation)
Transkription - virale mRNA
Translation - Proteine
Replikation des viralen Genoms
DNA-Viren: im Zellkern (außer Pox-Viren)
Polymerase zellulär oder viral kodiert
Adenoviren
HBV
Replikation des viralen Genoms
RNA-Viren: meist im Zytoplasma und ausschließlich mit viraler Replikase
Rotaviren
Einbau ins
Zellgenom
HIV
Funktionen viraler Proteine
•
•
•
regulatorische Proteine
z.B. Umschaltung von Replikation zu Transkription
frühe (immediate early oder early) Proteine
späte Proteine (Strukturproteine)
Replikationsstrategien von DNA-Viren
•
z.B. Integration in viralen DNA der Wirtszelle
•
Virusreplikation
durch zelluläre Transkriptionsfaktoren (HSV)
durch eigene Transkriptions-und Translationsfaktoren (Pocken)
•
Kaskadenartige Replikation: α, β und γ Gene (immediate early,
early, late, Herpesviren)
•
Reverse Transkription (Hepatitis B-Virus)
•
Helferviren (AAV)
mRNA Struktur und Translation
5´
AAAAAAA-3‘
AUG – Startcodon
CUA – Stopcodon
Assembly
cap
NSP - ORF
SP- ORF
AAAAAAA
Precursor-Proteine
NS1
•
•
•
NS2
C
E2 E1
Intrazelluläre Synthese von (Poly-) Proteinen
post- oder ko-translationelle Prozessierung in ER und Golgi
Einbau der Proteine in innere und äußere Membran
Migration viraler Hüllproteine
Infektiösität der viralen Nukleinsäure
Die gereinigte (genomische) virale Nukleinsäure ist
infektiös, wenn sie direkt (d.h. ohne Kapsid) in die Zelle
verabreicht wird. Sie initiiert dann einen kompletten
Infektionszyklus.
Virale RNA-Genome, die eine Transkriptase enthalten,
sind nicht infektiös, da sie keine mRNA-Funktion
besitzen.
Viren mit RNA-Genom
Genomaufbau
Transkriptase
Infektiosität
der RNA
mRNA
primäres
Genprodukt
+ss
nein
ja
ungespliced
Polyprotein
(1)
+ss
nein
ja
gespliced
Einzelproteine
(2)
-ss, linear
ja
nein
ungespliced
monocistronisch (3)
-ss, segment.
ja
nein
ungespliced
monocistronisch (4)
ds, segment.
ja
nein
ungespliced
monocistronisch (5)
ambisense
ja
nein
ungespliced
monocistronisch (6)
Beispiele:
(1) Picorna-, (2) Corona/Retro-, (3) Paramyxo-, (4) Orthomyxo-, (5) Reo-, (6) Arena-Viridae
Assembly
Morphogenese: Zusammenbau der einzelnen Komponenten
zu infektiösen (reifen) Viruspartikeln
•
Kapsidprotein bindet Nukleinsäure
Nukleokapsid
•
Nukleokapsid assoziiert mit viralen Hüllproteinen
•
Assembly in Zellkern, Zytoplasma, ER/Golgi-Membranen
Freisetzung
•
Budding (Knopsung)
Lyse infizierter Zellen
•
Apoptose
•
Zytopathischer Effekt
Auswirkung der Virusvermehrung auf die Wirtszelle
(abhängig vom Virustyp)
Zelllyse (Enteroviren)
Pyknose (Poliovirus)
Zellabkugelung (Herpesviren)
Fusion (Syncytienbildung: Masern, HSV, Parainfluenza, HIV)
intranukleäre Einschlüsse (Adeno- & Masernvirus)
intrazytoplasmatische Einschlüsse (Tollwut, Pocken)
Chromosomenbrüche
Transformation (EBV, HTLV)
Virusnachweis mittels CPE
Humane Lungenfibroblasten
CMV
mock infiziert
Affen-Nierenzellen
Rötelnvirus
mock infiziert
Mechanismen der viralen Zellschädigung
Mechanismus
Beispiele
Zelluläre Proteinsynthese ↓
Degradation der zellulären DNA
Zellmembranveränderungen
Poliovirus, HSV, Togaviren
Herpesviren
Insertion von Glykoproteinen
Synzytienbildung
Zerstörung des Zytoskeletts
Permeabilitätsveränderungen
Viren mit Hülle
Herpesviren, HIV, Paramyxoviren
unbehüllte Viren, HSV
Herpesviren, Togaviren
Einschlußkörper
zytoplasmatisch (Negrikörperchen)
intranukleäre (Eulennaugenzellen Cowdry Typ A - basophile EK)
perinukleär (acidophile EK)
Tollwutvirus
Zytomegalievirus Masernvirus (SSPE), HSV - Adenoviren
Reoviren
The Iceberg Concept of Infection
Zelluläre Reaktion
Reaktion des Wirtes
Lyse/Zelltod
Zytopathischer Effekt (CPE)
Einschlußkörper
Transformation
Tod des Organismus
Schwere Erkrankung
Moderate oder leichte
Symptome
Virusvermehrung ohne
erkennbare Schäden
oder unvollständige
Virusreifung
Exposition ohne
Rezeptorbindung oder
Penetration
Infektion ohne Symptome
(asymptomatische oder
latente Infektion)
Exposition
ohne Infektion
Formen der Infektion
- Akute Infektion
Viruselimination; zeitlich begrenzt, lokal → Antikörperbildung
Vorkommen sowohl apparent als auch inapparent (subklinisch)
- Persistierende Infektion
keine (vollständige) Viruselimination nach apparenter oder
inapparenter Primärinfektion
Latente Infektion keine Virusproduktion, lebenslange Infektion,
aber gelegentlich Reaktivierung (Rezidiv, Exazerbation)
Chronische Infektion produktiver Replikationszyklus
- Transformierende Infektion
Immortalisierung, Tumorentstehung
Weitere Begriffsbestimmungen
Pathogenität
Eigenschaft eines Erregers nach Infektion des Wirtes
Krankheitssymptome zu verursachen
(Grundeigenschaft der Erregerspezies, eine Potenz, die
wirken kann, aber nicht muss)
Virulenz
Summe aller krankmachenden Eigenschaften innerhalb
einer Erregerart, stark variabel, LD50
Attenuierung
Virulenzminderung, Abschwächung: Erhalt der
Immunogenität und der Fähigkeit zur Vermehrung
Organtropismus typisch für Virusinfektionen
weite Wirtsspezifität, enge Organspezifität:Tollwut
enge Wirtsspezifität, weite Organspezifität: Herpes-Simplex-Virus
Infektionsverlauf
Infektion
Ansteckung (lat. inficere = hineinbringen),
Haften, Eindringen und Vermehrung von Erregern in einem
Wirt
Monoinfektion
Mischinfektion
Superinfektion z.B. Primärinfektion mit Influenzaviren,
Sekundärinfektion mit Staphylokokken oder Streptokokken
Reinfektion
erneute Infektion nach Ausheilung; bei geringer Ausprägung
einer Immunreaktion
Virus-Zell-Interaktion
Infektionstyp
Virusproduktion
Reaktion der Zelle
abortiv
-
keine
lytisch
++
Zelltod
persistierend
produktiv
latent
+
-
temporäre Symbiose
variabel/Alterung
keine
Transformation
RNA-Viren
DNA-Viren
+
Immortalisierung
Immortalisierung
Konsequenzen der Virusinfektion
Direkter Effekt:
Destruktion
Funktionsverlust
Indirekter Effekt:
Immunpathologie
Autoimmunität
Eintrittspforten
•
Respirationstrakt (Tröpfcheninfektion, aerogen)
-
•
Intestinaltrakt (fäkal-oral)
-
•
Rota-, Adeno-, Calici- und Enteroviren, Hepatitis A
Blut, Blutprodukte (parenteral)
-
•
Influenzavirus, RSV, EBV, HSV, CMV
Masernvirus, Mumpsvirus, Rötelnvirus, VZV
HIV, Hepatitis B und C
Biss- und Stichwunden durch Tiere/Insekten
-
Arboviren, Rabies
Transmission von Viren
Horizontal
•
•
•
•
•
•
•
Blutkontakt (HCV, HIV)
Speichel (EBV, Mumps)
Organe (CMV, HBV)
Aerosole ( Masern, Influenza)
Arthropoden (FSME, Dengue)
Nahrung (HAV, Hantaviren)
fäkal-oral (Entero-, Rotaviren)
Vertikal
•
Schwangere - Fetus
pränatal (Röteln, CMV)
konnatal (VZV, HBV)
Pathogenetische Stadien von Virusinfektionen
Zelle
Wirt
Infektionskrankheit
Adsorption
Viruseintritt in den Wirt
Inkubationszeit
Penetration
Primäre Replikation
Uncoating
Virämie
Prodromalstadium
Transkription Zell- und Gewebstropismus
Translation
Zell- und Organschäden
Generalisation
Assembly
Immunreaktion
Maturation
Viruspersistenz
Organmanifestation
Freisetzung
Slow Virus Disease
Rekonvaleszenz
Unerwünschte Konsequenzen antiviraler
Immunreaktionen
Immunkomplexe
Autoantikörper
Immunpathologie
Autoimmunerkrankungen
Kriterien für persistierende
Virusinfektionen
1. Nicht-lytische Virus-Wirt-Interaktion
2. Versagen der Erkennung von viralen Proteinen
durch das Immunsystem des Wirtes
Faktoren, die an der Enstehung
persistierender Virusinfektionen beteiligt sind
Virale Eigenschaften
Mutationen
Integration der viralen Nukleinsäure
Tropismus
Regulation der MHC-Genexpression
Zelluläre Eigenschaften Differenzierungsgrad
Interferonsynthese
Enzymdefekte
Immunreaktionen
Immundefekte
Antigene Modulation
Selektion von Virusvarianten
Verlaufsformen/Typen viraler Infektionen
Akute Infektion**
Chronische Infektion **
Viruselimination
z.B. Hepatitis C
Latente Infektion*
Immunität
Reinfektion **
z.B. Masern
z.B. Influenza
Slow Virus Infektion *
z.B. Masern-SSPE
* Virus kann isoliert werden
Reaktivierung **
z.B. Herpesviren
* Nukleinsäure kann nachgewiesen werden
Transformation
z.B. HPV (Papillomiren)
Slow Virus Disease
z.B. SSPE
Virale Pathogenese
Zytopathogenität
z.B. Poliovirus
Immunpathogenese
spezifisch
Zerstörung virusInfizierter Zielzellen
durch CTL
z.B. HBV
unspezifisch
Freisetzung von
Zytokinen Fieber
z.B. Adeno- &
Masernvirus