1.5 Genetik von Bakterien und Viren

1.5.3 Bau und Vermehrung von Viren, Transduktion

 

Viren ( Singular: das Virus) wurden kurz im Biologiekurs Klasse 11 behandelt. Außerdem kennen wir schon das HIV-Virus aus der Immunbiologie, Biokurs Klasse 12. Wir wissen also, daß Viren definitionsgemäß keine Lebewesen sind, denn sie bestehen nicht aus Zellen. Lebewesen besitzen die Kennzeichen des Lebens, Viren benutzen Zellen (eu- und prokaryontisch), um sich fortzupflanzen. Dies ist das einzige Kennzeichen des Lebens, das sie besitzen. Man könnte sagen, sie stehen an der Schwelle zum Leben.

Seit mehr als 100 Jahren weiß man von der Existenz dieser potentiellen Krankheitserreger. Viele Infektionskrankheiten bei Mensch, Tier und Pflanze haben als Ursache Viren: z.B. Schnupfen, Grippe, Masern, Röteln, Mumps, Windpocken, Hepatitis, Hirnhautenztündung usw. Erst seit der 1959 konnte man sich mit Hilfe des Elektronenmikroskops ein Bild von ihnen machen. Seit 1966 klassifiziert man Viren nach dem International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) entsprechend den Organismen wie folgt:

Taxonomiestufen der Viren
Beispiel: Ebola-Virus
Ordnung (-Virales) höchste Txonomiestufe. - Ordnung Mononegavirales

    - dann Familie (-Viridae)

    - Familie Filoviridae (=Fadenviren)

      - Unterfamilie (-Virinae)
        - Gattung (-Virus)

       - Gattung Filovirus (Fadenvirus)

          - Art (Name)

  - Art: Ebola Virus Zaire

Man kennt derzeit 20 verschiedene Virenfamilien, die Mensch und Tier befallen. Einige wichtige Virus-Familien sind:

DNA-Viren
RNA-Viren

Herpesviridae:
Herpes simplex Virus

Myoviridae:
T2/4-Phagen bei E.Coli

Poxviridae:
Pockenviren bei Wirbeltieren

Totiviridae:
Saccharomyces cerevisiae Virus L-A
Flaviviridae:
Gelbfieber Virus und verschiedene Pflanzenviren
Picornaviridae:
Poliovirus, Rhinovirus, Hepatitis A Virus
Picornaviridae:
Tabak-Mosaik-Virus
Paramyxoviridae:
Mumps-Virus, Masern-Virus
Orthomyxoviridae:
Influenzavirus A,B,C
Retroviridae: HIV

Allgemeiner Aufbau Viren sind Partikel mit einer Größe zwischen 20 bis 300 Nanometer (nm) und bestehen aus einer Proteinhülle (= Capsid), die je nach Vermehrungszyklus noch Lipoide enthalten können. Innerhalb dieser Hülle ist Nukleinsäure in Form von DNA oder RNA eingeschlossen. Deshalb kann man die Viren auch in

  • DNA-Viren und
  • RNA-Viren

einteilen.

In Abb. 119 ein relativer Größenvergleich eines großen Virus mit einer Bakterien- und eukaryontischen Zelle. In einem Stecknadelkopf haben ca. 500 Millionen Rhinoviren (Schnupfen) Platz.

Die Proteinhülle der meisten Viren besteht besitzt entweder die

  • kubische Symmetrie eines Eicosaeders (20-Flächner) mit dreieckigen Flächen wie z. B. beim Herpes Virus oder
  • helikale Symmetrie aus identischen Proteinmolekülen wie beim Tabakmosaikvirus (TMV).

In der Abb. oben ist ein gefärbtes ELMI-Bild eines TMV-Virus zu sehen, (außergewöhnlich ist die Stäbchenform) und in Abb. 121 ein  Influenza-Virus oder Grippe-Virus.

Neben den vielen rundlich gebauten Viren mit Eicosaeder-Capsid, wie dem sehr kleinen Parvovirus B19 (DNA), der zu den kleinsten Viren gehört und der die Erythrozyten von Menschen, Säugetieren und Vögeln befällt, gibt es noch viele andere, die sich in Größe, Capsidaufbau und Wirtszelle unterscheiden.

Die Abb. 122 oben zeigt Computermodelle vom Poliovirus (gehört zu den Picornaviren), der Kinderlähmung hervorruft, dem doppelt so großen Hepatitis B-Virus, dem Erreger der Leberentzündung und dem krebserregenden Papovavirus SV40, der DNA enthält. Bemerkenswert unterschiedlich sind z.B. die T-Phagen gebaut, die sich in E.Coli-Zellen vermehren.

In Abb. 123 ist der T2-Phage abgebildet (Myoviridae; DNA-Virus). Seine gesamte Proteinhülle ist dazu ausgelegt, um das eine DNA-Molekül in seinem Kopf in E.Coli zu injizieren. Er besteht aus dem ca. 100nm großen Kopf, dem Hals, dem Kragen, einer kontraktilen Scheide, an deren Ende 6 Schwanzfasern sitzen. Die Bodenplatte besitzt 6 Spikes um die Bakterienwand anzustechen.


Vermehrung Viren befallen spezifische Wirtszellen, wobei sowohl eukaryontische ( Tiere, Pflanzen, Pilze) als auch prokaryontische Zellen als Wirt vorkommen. Viren, die Bakterienzellen befallen nennt man Bakteriophagen oder Phagen. Manche Viren haben eine breitere Spezifität und befallen verschiedene Organismengruppen. Nach dem Befall einer Wirtszelle kann die Vermehrung in 2 Formen ablaufen: als

  • lytischer Zyklus und als
  • lysogener Zyklus.
Die Art des Zyklus ist von Virus zu Virus verschieden. Letztendlich wird die Wirtszelle zu einer Virenfabrik umfunktioniert, wobei am Ende bis zu 500 neue Viren die Zelle durch Knospung (=Abschnüren von Viren) oder durch Aufplatzen der Membran (= Lyse) verlassen. Dabei sterben die Wirtszellen meist. Bei der Knospung (Exocytose) erhält das Virus eine Hülle aus Lipoid der Wirtszelle (Grippe-Virus, HIV). Die Generationszeiten können sehr kurz sein (ca. 20 Minuten), sodaß bei einer Infektion an einem Tag eine gigantische Zahl an neuen Viren entsteht, die fast jeden Taschenrechner überfordert. Viren sind also immer potentiell pathogen. Beide Vermehrungsarten sind am Beispiel eines T-Phagen dargestellt:



Der lytische Zyklus verläuft in 4 Phasen ab (siehe HIV-Virus) :

1. Adsorptionsphase

das Virus lagert sich an die Wirtszelle durch Kontakt mit Rezeptoren an

2. Injektionsphase

das Virus injiziert oder schleust seine Erbinformation in die Zelle

3. Latenzphase

die Virus-DNA (RNA) übernimmt die genetische Kontrolle der Zelle, es werden Virus-Partikel produziert

4. Lytische Phase

fertige Viren verlassen die Zelle, die Zelle stirbt


Es kann jedoch vorkommen, daß das Virus nach der Injektion sich in das Wirtschromosom integriert (z.B durch das virale Protein Integrase) und als Provirus (Prophage) ohne virulente Wirkung weiterexistiert. Bakterienzellen können sich teilen, die Virus-DNA wird mitrepliziert. Nach einer gewissen Zeit (bei HIV bis 15 Jahren) verläßt das Virus das Wirtschromosom ( wiederum durch bestimmte virale Enzyme wie Integrase und Excisase), übernimmt die Zellkontrolle und der lytische Zyklus beendet das Zellleben. Solche Phagen nennt man temperente oder lysogene Viren (Phagen).

Ein Bakterium, das einen Prophagen trägt ist immun gegen eine Neuinfektion. Der am besten studierte temperente Phage ist der Lambda-Phage (siehe oben), der E.Coli infiziert. Die Repressor-Proteine CI und Cro regulieren dort den lytischen und lysogenen Zyklus Beim Menschen besteht 2% der DNA aus endogenen Retroviren, also in das Chromosom integrierte Virus-DNA.

Dazu gehören auch Oncogene, also Krebsgene. Typ I Diabetes soll durch ein endogenes Retrovirus verursacht werden. Botulismus-, Cholera-, Diphtherie-Toxine usw. werden durch Prophagen gesteuert, die ihre Wirtszellen vom nicht-pathogenen in den pathogenen Zustand befördern.   Aufbau und Vermehrung des Grippe-Virus Grippe gehört wie Schnupfen zu den alltäglichen Erkältungskrankheiten, charakterisiert durch Fieber, Kopf- und Muskelschmerzen und Halsentzündungen.
Auch Husten kann als Begleiterscheinung auftreten. Die Infektion kann leicht oder sehr stark wie 1918 in USA ablaufen (ca. 20 Millionen Tote weltweit). Sie geschieht per Aerosol (Tröpfcheninfektion) durch einen infizierten Mensch mit einer kurzen Inkubationszeit von 1-3 Tagen. Die Krankheit wird durch den Influenza- oder Grippe-Virus aus der Familie der Orthomyxoviren hervorgerufen.
Begleiterscheinungen wie Lungenentzündung erfolgen durch das Virus selbst oder Adenoviren oder Bakterien wie Haemophilus influenzae, Staphylococcus aureus und Streptococcus pneumoniae.

Es gibt 3 Typen von Grippe-Viren: A, B und C. Influenza A kann Mensch und Tier infizieren, Influenza B und C nur Menschen. Die großen Epidemien werden nur vom A oder B-Typ hervorgerufen.

Der Grippe-Virus ist rundlich, manchmal länglich und ca. 100 nm im Durchmesser. Die gesamte Hülle hat als Außenbelag eine Lipoid-Schicht aus der 2 Typen von Proteinmolekülen wie Spikes herausragen: ein Hämagglutinin (H) und eine Neuraminidase (N). Diese helfen dem Virus bei der Adsorption, der Körper erkennt die Viren daran als körperfremd ( sie wirken als Antigen) und bildet Antikörper. Darunter liegt eine Proteinschicht. Im Innern befinden sich 8 einsträngige RNA-Moleküle jeweils von Protein umhüllt genannt Nukleoprotein.

Das Grippevirus vermehrt sich, wie nachfolgendes Schema zeigt durch einen lytischen Zyklus.

Diese Partikel verlassen durch Knospung oder Exocytose die Zelle, wobei sie ihre Lipoidhülle mit den Spikes erhalten. Verlassen zu viele Viren die Zelle, wird die Zellmembran so stark geschädigt, daß die Zelle daran zugrunde geht.

Sterilisation und Desinfektion

Viren, besonders diejenigen mit einer Lipoidhülle sind außerhalb ihrer Wirtszelle relativ schnell inaktiv. (Ausnahme z.B. Hepatitis B). Die Sterilisation und Desinfektion ist der der Bakterien sehr ähnlich.

Die Verbreitung von Viren geschieht durch:

  1.   Inhalation von Aerosolen (Tröpfcheninfektion)
  2.   Nahrungsaufnahme
  3.   direktem Kontakt (Haut/Schleimhaut, oder
  4.   indirektem Kontakt über Überträger.

Transduktion

Viren können während der Latenzphase oder als Prophage Gene der Wirtszelle mit in ihr Capsid einschließen. Wenn sie dann nach der Lyse eine andere Zelle infizieren, übertragen sie das mitgenommene Wirtsgen in eine andere Zelle. Man nennt diesen Vorgang Transduktion. Diese kommt in 2 Formen vor:

  • allgemeine Transduktion
  • spezielle Transduktion.

 

 

 

Abb. 116

Rhinovirus
Computermodell

Rhinovirus 14 (Schnupfen)

 

Abb. 117

Tomato Bushy Stunt Virus
(TBSV)

Computermodell

 

Abb. 118

Lambda-Phage

befällt E.Coli

 

Abb. 119

rel. Größenvergleich
Viren - Zellen

 

 

Abb. 120

Virusmorphologie

helicale Symmetrie beim TMV


Abb. 121

Influenzavirus im ELMI-Bild


Abb. 122

Größen von Viren

 

 

 

 

 

 

Abb. 123

T-Phage

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 124

Vermehrungszyklus von Viren

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 125

Aufbau eines Influenzavirus

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 126

Vermehrung des Influenzavirus

Das Virus wird durch Endozytose in die Zelle aufgenommen. Dabei entsteht im Zytoplasma ein Endosom. Dieses verläßt das Virus unter Verlust seiner Proteinhülle. Die RNA-Moleküle wandern in den Zellkern und werden repliziert und transkribiert. Die entstehende mRNA mit den viralen Genen wird durch Translation an den Ribosomen der Zelle in Virusproteine umgesetzt. Ein Teil bildet mit der replizierten Viren-RNA die Nukleoproteine.

Der Rest wird nach Reifung am ER der Zelle mit dem Nukleoprotein zum Capsid zusammengebaut.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 127

Transduktion

 

allgemein - speziell

Bei der allgemeinen Transduktion werden beliebige Wirtsgene übertragen. Im Viruscapsid befindet sich durch "ein Versehen" nur Wirts-DNA, keine Virus-Nukleinsäure. Der Phage kann zwar eine Zelle infizieren, sich aber nicht vermehren. Wird chromosomale DNA übertragen, rekombiniert sie sich mit der DNA der infizierten Zelle. Ist die DNA die eines Plasmids, kann sie repliziert werden und bleibt erhalten.

Die spezielle Transduktion tritt bei Prophagen auf. Es wird nur ein bestimmter Bereich der Wirts-DNA übertragen, meist Gene, die in der Nachbarschaft des Prophagen lokalisiert waren. Das am besten bekannte System ist der Lambda-Phage.

Die Transduktion wird in der Gentechnik benützt, um gezielt DNA in Zellen zu befördern. Man bezeichnet solche Phagen als Vektoren.

 

Weiterführende Quellen:

Virologie

http://www.tulane.edu/~dmsander/garryfavweb.html

Computermodelle von Viren

http://www.virology.wisc.edu/IMV/

Viren

http://www.tulane.edu/~dmsander/Big_Virology/BVFamilyGenome.html
http://www.uct.ac.za/depts/mmi/jmoodie/welcome1.html

Retroviren

http://www.uct.ac.za/depts/mmi/jmoodie/welcome1.html

T-Phagen

http://www.mansfield.ohio-state.edu/~sabedon/beg_phage_images.htm

Phagen als Vektoren

http://www.csun.edu/~hcbio027/Bio572_F97/forms/57207.html

Mutation

http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/SD.Mut.HP.html