Konzepte der Biologie – 1. kanadische Ausgabe

Viren wurden erstmals nach der Entwicklung eines Porzellanfilters namens Chamberland-Pasteur-Filter entdeckt, der alle unter dem Mikroskop sichtbaren Bakterien aus jeder flüssigen Probe entfernen konnte. 1886 zeigte Adolph Meyer, dass eine Krankheit von Tabakpflanzen, die Tabakmosaikkrankheit, durch flüssige Pflanzenextrakte von einer erkrankten Pflanze auf eine gesunde übertragen werden kann. Im Jahr 1892 zeigte Dmitri Ivanowski, dass diese Krankheit auf diese Weise übertragen werden konnte, auch nachdem der Chamberland-Pasteur-Filter alle lebensfähigen Bakterien aus dem Extrakt entfernt hatte. Dennoch dauerte es viele Jahre, bis bewiesen wurde, dass diese „filterbaren“ Infektionserreger nicht einfach sehr kleine Bakterien waren, sondern eine neue Art winziger, krankheitsverursachender Partikel.

Virionen, einzelne Viruspartikel, sind sehr klein, etwa 20-250 Nanometer (1 Nanometer = 1/1.000.000 mm). Diese einzelnen Viruspartikel sind die infektiöse Form eines Virus außerhalb der Wirtszelle. Im Gegensatz zu Bakterien (die etwa 100-mal größer sind) können wir Viren mit einem Lichtmikroskop nicht sehen, mit Ausnahme einiger großer Virionen der Pockenvirus-Familie (Abbildung 12.3).

Erst mit der Entwicklung des Elektronenmikroskops in den 1940er Jahren erhielten Wissenschaftler einen ersten guten Überblick über die Struktur des Tabakmosaikvirus (Abbildung 12.2) und anderer. Die Oberflächenstruktur von Virionen kann sowohl durch Rasterelektronenmikroskopie als auch durch Transmissionselektronenmikroskopie beobachtet werden, während die inneren Strukturen des Virus nur in Bildern eines Transmissionselektronenmikroskops beobachtet werden können (Abbildung 12.4).

Die Verwendung dieser Technologie hat die Entdeckung vieler Viren aller Arten lebender Organismen ermöglicht. Sie wurden zunächst nach gemeinsamer Morphologie gruppiert, dh nach Größe, Form und Unterscheidungsstrukturen. Später wurden Gruppen von Viren nach der Art der Nukleinsäure klassifiziert, die sie enthielten, DNA oder RNA, und ob ihre Nukleinsäure einzel- oder doppelsträngig war. In jüngerer Zeit hat die molekulare Analyse viraler Replikationszyklen ihre Klassifizierung weiter verfeinert.Ein Virion besteht aus einem Nukleinsäurekern, einer äußeren Proteinbeschichtung und manchmal einer äußeren Hülle aus Protein- und Phospholipidmembranen, die von der Wirtszelle abgeleitet sind. Der sichtbarste Unterschied zwischen Mitgliedern viraler Familien ist ihre Morphologie, die sehr unterschiedlich ist. Ein interessantes Merkmal der viralen Komplexität ist, dass die Komplexität des Wirts nicht mit der Komplexität des Virions korreliert. Einige der komplexesten Virionenstrukturen werden in Bakteriophagen beobachtet, Viren, die die einfachsten lebenden Organismen, Bakterien, infizieren.Viren gibt es in vielen Formen und Größen, aber diese sind für jede Virusfamilie konsistent und unterschiedlich (Abbildung 12.5). Alle Virionen haben ein Nukleinsäuregenom, das von einer schützenden Proteinschicht bedeckt ist, die als Kapsid bezeichnet wird. Das Kapsid besteht aus Proteinuntereinheiten, die Capsomere genannt werden. Einige virale Kapside sind einfache polyedrische „Kugeln“, während andere in ihrer Struktur ziemlich komplex sind. Die äußere Struktur, die das Kapsid einiger Viren umgibt, wird als Virenhülle bezeichnet. Alle Viren verwenden eine Art Glykoprotein, um sich an Moleküle auf der Zelle, die als virale Rezeptoren bezeichnet werden, an ihre Wirtszellen zu binden. Das Virus nutzt diese Zelloberflächenmoleküle, die die Zelle für andere Zwecke verwendet, um bestimmte Zelltypen zu erkennen und zu infizieren. Zum Beispiel verwendet das Masernvirus beim Menschen ein Zelloberflächenglykoprotein, das normalerweise bei Immunreaktionen und möglicherweise bei der Spermien-Ei-Interaktion bei der Befruchtung wirkt. Die Anhaftung ist eine Voraussetzung dafür, dass Viren später in die Zellmembran eindringen, das virale Genom injizieren und ihre Replikation in der Zelle abschließen können.

Der T4-Bakteriophage, der das E. coli-Bakterium infiziert, gehört zu den komplexesten bekannten Virionen; T4 hat eine Proteinschwanzstruktur, mit der das Virus an die Wirtszelle bindet, und eine Kopfstruktur, in der sich seine DNA befindet.Adenovirus, ein nicht umhülltes tierisches Virus, das Atemwegserkrankungen beim Menschen verursacht, verwendet Proteinspitzen, die aus seinen Kapsomeren herausragen, um sich an die Wirtszelle zu binden. Zu den nicht umhüllten Viren gehören auch solche, die Polio (Poliovirus), Plantarwarzen (Papillomavirus) und Hepatitis A (Hepatitis-A-Virus) verursachen. Nicht umhüllte Viren sind in der Regel robuster und überleben eher unter rauen Bedingungen wie dem Darm.

Umhüllte Virionen wie HIV (Human Immunodeficiency Virus), der Erreger von AIDS (Acquired Immune Deficiency Syndrome), bestehen aus Nukleinsäure (RNA im Fall von HIV) und Kapsidproteinen, die von einer Phospholipid-Doppelschichthülle und den zugehörigen Proteinen umgeben sind (Abbildung 12.5). Windpocken, Influenza und Mumps sind Beispiele für Krankheiten, die durch Viren mit Hüllen verursacht werden. Aufgrund der Zerbrechlichkeit der Hülle sind nicht umhüllte Viren resistenter gegen Temperaturänderungen, pH-Wert und einige Desinfektionsmittel als umhüllte Viren.Insgesamt sagt uns die Form des Virions und das Vorhandensein oder Fehlen einer Hülle wenig darüber aus, welche Krankheiten die Viren verursachen oder welche Arten sie infizieren könnten, ist aber immer noch ein nützliches Mittel, um mit der Virusklassifizierung zu beginnen.

Welche der folgenden Aussagen über die Virenstruktur ist wahr?

A) Alle Viren sind in einer viralen Membran eingeschlossen.

B) Das Kapsomer besteht aus kleinen Proteinuntereinheiten, den sogenannten Kapsiden.

C) DNA ist das genetische Material in allen Viren.

D) Glykoproteine helfen dem Virus, sich an die Wirtszelle anzuheften.

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Im Gegensatz zu allen lebenden Organismen, die DNA als genetisches Material verwenden, können Viren entweder DNA oder RNA als ihr genetisches Material verwenden. Der Viruskern enthält das Genom oder den gesamten genetischen Inhalt des Virus. Virale Genome sind im Vergleich zu Bakterien oder Eukaryoten in der Regel klein und enthalten nur die Gene, die für Proteine kodieren, die das Virus nicht aus der Wirtszelle erhalten kann. Dieses genetische Material kann einzelsträngig oder doppelsträngig sein. Es kann auch linear oder kreisförmig sein. Während die meisten Viren ein einzelnes Nukleinsäuresegment enthalten, haben andere Genome, die aus mehreren Segmenten bestehen.

DNA-Viren haben einen DNA-Kern. Die virale DNA weist die Replikationsproteine der Wirtszelle an, neue Kopien des viralen Genoms zu synthetisieren und dieses Genom in virale Proteine zu transkribieren und zu übersetzen. DNA-Viren verursachen menschliche Krankheiten wie Windpocken, Hepatitis B und einige Geschlechtskrankheiten wie Herpes und Genitalwarzen.

RNA-Viren enthalten nur RNA in ihren Kernen. Um ihre Genome in der Wirtszelle zu replizieren, kodieren die Genome von RNA-Viren Enzyme, die in Wirtszellen nicht gefunden werden. RNA-Polymerase-Enzyme sind nicht so stabil wie DNA-Polymerasen und machen oft Fehler bei der Transkription. Aus diesem Grund treten Mutationen, Veränderungen der Nukleotidsequenz, bei RNA-Viren häufiger auf als bei DNA-Viren. Dies führt zu einer schnelleren Evolution und Veränderung der RNA-Viren. Zum Beispiel ist die Tatsache, dass Influenza ein RNA-Virus ist, ein Grund, warum jedes Jahr ein neuer Grippeimpfstoff benötigt wird. Menschliche Krankheiten, die durch RNA-Viren verursacht werden, umfassen Hepatitis C, Masern und Tollwut.Viren können als obligate intrazelluläre Parasiten angesehen werden. Das Virus muss sich an eine lebende Zelle anlagern, ins Innere gebracht werden, seine Proteine herstellen und sein Genom kopieren und einen Weg finden, der Zelle zu entkommen, damit das Virus andere Zellen und letztendlich andere Individuen infizieren kann. Viren können nur bestimmte Arten von Wirten und nur bestimmte Zellen innerhalb dieses Wirts infizieren. Die molekulare Grundlage für diese Spezifität ist, dass ein bestimmtes Oberflächenmolekül, das als viraler Rezeptor bekannt ist, auf der Oberfläche der Wirtszelle gefunden werden muss, damit sich das Virus anlagern kann. Auch metabolische Unterschiede, die in verschiedenen Zelltypen basierend auf differentieller Genexpression beobachtet werden, sind ein wahrscheinlicher Faktor, in welchen Zellen ein Virus zur Replikation verwendet werden kann. Die Zelle muss die Substanzen herstellen, die das Virus benötigt, z. B. Enzyme, für die das Virusgenom selbst keine Gene enthält, oder das Virus kann sich mit dieser Zelle nicht replizieren.

Schritte von Virusinfektionen

Ein Virus muss eine Zelle „übernehmen“, um sich zu replizieren. Der virale Replikationszyklus kann dramatische biochemische und strukturelle Veränderungen in der Wirtszelle hervorrufen, die Zellschäden verursachen können. Diese Veränderungen, zytopathische Effekte genannt, können Zellfunktionen verändern oder sogar die Zelle zerstören. Einige infizierte Zellen, wie sie durch das Erkältungsvirus (Rhinovirus) infiziert sind, sterben durch Lyse (Platzen) oder Apoptose (programmierter Zelltod oder „Zellselbstmord“) ab und setzen alle Nachkommenvirionen auf einmal frei. Die Symptome von Viruserkrankungen resultieren aus der Immunantwort auf das Virus, das versucht, das Virus aus dem Körper zu kontrollieren und zu eliminieren, und aus Zellschäden, die durch das Virus verursacht werden. Viele Tierviren, wie HIV (Human Immunodeficiency Virus), verlassen die infizierten Zellen des Immunsystems durch einen als Knospung bekannten Prozess, bei dem Virionen die Zelle einzeln verlassen. Während des Knospungsprozesses erfährt die Zelle keine Lyse und wird nicht sofort abgetötet. Die Schädigung der Zellen, die HIV infiziert, kann es jedoch unmöglich machen, dass die Zellen als Vermittler der Immunität fungieren, obwohl die Zellen für einen bestimmten Zeitraum am Leben bleiben. Die meisten produktiven Virusinfektionen folgen ähnlichen Schritten im Virusreplikationszyklus: befestigung, Durchdringung, Entschichtung, Replikation, Montage und Freigabe.

Ein Virus bindet an eine spezifische Rezeptorstelle auf der Wirtszell-Membran durch Bindungsproteine im Kapsid oder Proteine, die in seine Hülle eingebettet sind. Die Bindung ist spezifisch, und typischerweise bindet sich ein Virus nur an Zellen einer oder weniger Arten und nur an bestimmte Zelltypen innerhalb dieser Arten mit den entsprechenden Rezeptoren.

Im Gegensatz zu tierischen Viren wird die Nukleinsäure von Bakteriophagen nackt in die Wirtszelle injiziert, wobei das Kapsid außerhalb der Zelle verbleibt. Pflanzliche und tierische Viren können durch Endozytose in ihre Zellen gelangen, bei der die Zellmembran das gesamte Virus umgibt und verschlingt. Einige umhüllte Viren gelangen in die Zelle, wenn die Virushülle direkt mit der Zellmembran verschmilzt. Innerhalb der Zelle wird das virale Kapsid abgebaut und die virale Nukleinsäure freigesetzt, die dann für die Replikation und Transkription verfügbar wird.

Der Replikationsmechanismus hängt vom viralen Genom ab. DNA-Viren verwenden normalerweise Wirtszellenproteine und Enzyme, um zusätzliche DNA herzustellen, die zum Kopieren des Genoms verwendet oder in Boten-RNA (mRNA) transkribiert wird, die dann bei der Proteinsynthese verwendet wird. RNA-Viren, wie das Influenzavirus, verwenden normalerweise den RNA-Kern als Vorlage für die Synthese von viraler genomischer RNA und mRNA. Die virale mRNA wird in virale Enzyme und Kapsidproteine übersetzt, um neue Virionen zusammenzusetzen (Abbildung 12.6). Natürlich gibt es Ausnahmen von diesem Muster. Wenn eine Wirtszelle nicht die für die Virusreplikation notwendigen Enzyme liefert, liefern virale Gene die Informationen zur direkten Synthese der fehlenden Proteine. Retroviren wie HIV haben ein RNA-Genom, das reverse transkribiert werden muss, um DNA herzustellen, die dann in die DNA des Wirts eingefügt wird. Um RNA in DNA umzuwandeln, enthalten Retroviren Gene, die für das virusspezifische Enzym Reverse Transkriptase kodieren, das eine RNA-Vorlage in DNA transkribiert. Die Tatsache, dass HIV einige seiner eigenen Enzyme produziert, die nicht im Wirt gefunden werden, hat es Forschern ermöglicht, Medikamente zu entwickeln, die diese Enzyme hemmen. Diese Medikamente, einschließlich des Reverse-Transkriptase-Inhibitors AZT, hemmen die HIV-Replikation, indem sie die Aktivität des Enzyms reduzieren, ohne den Stoffwechsel des Wirts zu beeinflussen.Die letzte Stufe der Virusreplikation ist die Freisetzung der neuen Virionen in den Wirtsorganismus, wo sie benachbarte Zellen infizieren und den Replikationszyklus wiederholen können. Einige Viren werden freigesetzt, wenn die Wirtszelle stirbt, und andere Viren können infizierte Zellen verlassen, indem sie durch die Membran knospen, ohne die Zelle direkt abzutöten.

Das Influenzavirus ist in einer Virushülle verpackt, die mit der Plasmamembran verschmilzt. Auf diese Weise kann das Virus die Wirtszelle verlassen, ohne sie abzutöten. Welchen Vorteil hat das Virus, wenn es die Wirtszelle am Leben erhält?

<!-Die Wirtszelle kann weiterhin neue Viruspartikel bilden.–>