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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 BiosyntheseLeistung 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.
Ribonucleins ure
Protein
Abb. 1:
Aufbau des
Schematischer
Tabakmosaikvirus
Tabakmosaikvirus
Poliovirus (Kinderl hmung)
Polyomavirus
Variolavirus
(Pocken)
Adenovirus
Insekten - Polyeder - V.
Paramyxovirus (Mumps)
Influenzavirus
(Grippe)
Bakteriophage T 4
100 nm
= 0,1
mm
Herpesvirus
Abb. 2: Relative Größe und Gestalt einiger Viren
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 PoliomyelitisErreger 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
I
II
dsDNA
ssDNA
Informationsfluß bis zur Bildung der
mRNA
→ mRNA
→ dsDNA → mRNA
Beispiel
Hepatitis-B-Virus
Parvovirus B 19
III
dsRNA
Reovirus
→ mRNA
IV
(+)-RNA
Poliovirus
→ (–)-RNA → mRNA
V
(–)-RNA
Tollwut-Virus
→ mRNA
VI
(+)-RNA
HIV-1
→ (–)-DNA → dsDNA → mRNA
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 Polypeptid-Ketten, MG. 66000 bzw. 51000) durch Magnesium-Ionen
aktiviert wird.
gp 41
RNA
p 18
rT
gp 120
Lipid - Membran
p 24
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 EpsteinBarr-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 NeuGuinea 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 Virus-Nachkommen erfolgt oft durch lytische VirusEnzyme, 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 Restriktionsendonucleasen 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.