Vorlesung. Virologie

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1 Vorlesung

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3 Allgemeiner Teil Geschichtlicher Überblick Virus: Definition, Aufbau, Einteilung Virusvermehrung / Replikation Pathogenese / Zellschädigung Immortalisierung / Transformation

4 Kurzversion: Immunologie der Viren Antivirale Chemotherapie Antivirale Impfstoffe Labormethoden zum Nachweis von viralen Infektionen

5 II. Spezieller Teil Viren mit ssrna-genom in Plusstrangorientierung (Hepatitis A/C-Virus, Norovirus, Poliovirus, Rhinoviren, Röteln-Virus) Viren mit kontinuierlichem ssrna-genom in Negativstrangorientierung (Tollwutvirus, Masernvirus) Viren mit segmentiertem ssrna-genom in Negativstrangorientierung (Influenzaviren, Hantaviren) Viren mit ssrna-genom und dsdna als Zwischenprodukt (Retroviren)

6 Viren mit dsdna-genom (Adenoviren, Hepatitis B-Virus, Herpesviren, Papillomviren, Pockenviren) Viren mit ssdna-genom (adenoassoziierte Viren)

7 Influenza Was ist gefährlicher?

8 Montag, 11. Juli 18 Uhr M629 Montag, 12. Oktober 18 Uhr M627

9 Geschichtlicher Überblick Erste Impfungen schon im alten Ägypten 1796: Edward Jenner, erste Impfung 1882: Adolf Mayer, Tabakmosaikkrankheit ist übertragbar 1892: Dimitri I. Iwanowski, Mosaikvirus des Tabak durch ultrafiltrierbares Agens verursacht 1893: Martinus Willem Beijerinck, postuliert das contagium vivum fluidum 1898 Friedrich J. Loeffler und Paul Frosch weisen das erste tierpathogene Virus nach (Maul-und-Klauen Seuche) 1885 entwickelt Louis Pasteur die erste Impfung gegen Tollwut weist Peyton Rous den ersten Virus nach der Tumore verursachen kann zeigt Erich Traub dass Viren von Müttern auf Embryonen übertragbar sind (lymphocytäre Choriomeningitis bei Mäusen zeigt (Sir) Norman Gregg das selbe für Röteln beim Menschen. 1977: Ausrottung der Pocken

10 Henle-Koch Potulate: Erreger ist bei Kranken immer nachweisbar. Bei Gesunden fehlt er immer Krankheitserreger muss sich züchten lassen (Gewebe, Nährboden, Zellkultur) Nach Inokulation des Erregers in gesunde Tiere, müssen diese die gleiche Krankheit bekommen Die Re-isolierung muss gelingen

11 ist eng mit anderen wissenschaftlichen Disziplinen verknüpft Onkologie/ Tumorbiologie: Rous Sarkoma-Viren (Sarkom), Humane Papilloma Viren (Cervix Carcinom), Hepatitis Viren (Hepatocelluläres Carcinom, Epstein-Barr Virus (Lymphome) Neurologie: Tollwut, Masern (Subakute skerosierende Panencephalitis), FSME. [Slow Virus-Infektionen] Immunologie

12 Ursprung der Viren Virus-first hypothesis: Coevolution: Viren waren schon in der Ursuppe da. Einigen Molekülen gelang es sich als replikationsfähige Partikel zu verpacken. Regressive (Degeneracy) Hypothesis: Degeneration aus Bakterien, oder ähnlichen Organismen. Diese haben aber sukzessive Ihr Genom verkleinert, bis sie nur mehr fähig waren sich in Wirtszellen zu replizieren. Cellular origin (escape) hypothesis: Entstehung aus wirtszelleigenen Nukleinsäuren (selbständig gewordene DNA/RNA)

13 Viren: Charakteristika Definition Infektiöse Partikel ultrafiltrierbar (bis 200 nm) Partikel mit nur einer Art von Nukleinsäure (RNA ODER DNA) 16 nm (Circoviren) bis 300 nm (Pockenviren) Replikation in lebenden Zellen (keine Teilung) + keine eigenen Ribosomen

14 Aufbau von infektiösen Viruspartikeln (Virionen) Membranprotein Membranhülle Capsid bestehend aus Capsomeren Genom (DNA/RNA) Nucleoprotein

15 Kriterien zur Einteilung der Viren: 1. Genom 1a. Art des Genoms: DNA oder RNA. 1b. Wie liegt das Genom vor: Einzel, oder Doppelstrang, Plus- oder Minus-Orientierung, linear oder zirkulär, segmentiert oder kontinulierlich. 2. Form des Capsids Vorhandensein einer Membranhülle Grösse Ort der Virusreplikation (Cytosol, Kern). Die Unterteilung in Genera und Typen erfolgt nach serologischen Kriterien.

16 Symmetrieformen: Ikosaedrische Symmetrie Konische Symmetrie Komplexe/Keine Symmetrie z. B. Hepatitis B Viren Adenoviren Picornaviren Parvoviren z. B. Paramyxoviren Orthomyxoviren Tabakmoasaikvirus Rhabdoviren z. B. Poxviren HIV

17 Infektion: prinzipieller Verlauf Invasion (Adsorption und Penetration). In der Regel aktiviert das Virus Signaltransduktionswege die dessen Endringen erleichtern Uncoating Replikation: DNA-Viren im Kern (Ausmahme: Pockenviren), RNA-Viren im Cytosol (Ausnahme: Influenza- und Bornaviren). Morphogenese: replizierte DNA/RNA wird in Capsiden verpackt. Viren mit Membranhülle verwenden Membranen aus verschiedenen intrazellulären Organellen (ER, Golgi, PM) Freisetzung (Budding, Lyse, Apoptose)

18 Adsorption Als Rezeptor kommt fast alles was an der Zelloberfläche ist in Frage. Jedes Virus bindet an spezifische Rezeptoren: Integrine (MKS-Virus) Immunglobulinähnliche Proteine (Poliovirus, HIV) Proteasen (Coronaviren) Heparansulfat (HBV) Sialinsäure (Influenzaviren) Cytokinrezeptoren (Herpesviren, HIV) Etc...

19 Invasion

20 Invasion

21 Invasion

22 Invasion

23 Invasion

24 Invasion

25 Invasion

26 Invasion

27 Invasion

28 Invasion Viren binden und surfen entlang von Filopodien Schelhaas et al, PLoSPath, 2008

29 Uncoating Wo entlässt das Virus seine DNA? Plasmamembran (Herpesvirus, paramyxoviruses) Early endosome (Alphaviren, Rhabdoviren) Late endosome (Influenza A, Flaviviren) Lysosomen (Parvovirus??) Endoplasmatisches Retikulum (Polyomaviren) Wie entlässt das Virus sein Genom? Virus ohne Hülle, Lyse des Endosoms (Adenovirus 2 u. 5) Virus ohne Hülle, Ausbildun einer Pore (entweder in der PM oder in Endosomen, z.b. Picornaviren) Virus mit Hüllmembran, Fusion mit der PM (HIV) Virus mit Hüllmembran, Fusion mit Endosomenmembran (Influenzaviren)

30 Genomreplikation (+)Strang RNA Viren (z.b. Picornaviren, Flaviviren, Coronaviren) Strukturproteine Translation Proteolytischer Verdau Enzyme: z.b. RNA-abhänhige RNA-Polymerase RNA besitzt die richtige Polarität = kann gleich als mrna verwendet werden. Transkription findet im Cytosol statt. In der Regel wird die RNA-Polymerase mitgebracht Es entsteht in der Regel ein Polypeptid, welches proteolytisch gespalten wird, woraus wiederum die viralen Proteine enstehen. Danach wird ein Negativstrang produziert, der als Vorlage für die Synthese von RNA-Plussträngen verwendet wird.

31 Genomreplikation (-)Strang RNA Viren (Rhabdoviren, Paramyxoviren, Orthomyxoviren) Kontinuierliches Genom Umschreiben Translation Bei ausreichender Proteinmenge (+)Strang (-)Strang Segmentiertes Genom Umschreiben Nach Capping Translation Bei ausreichender Proteinmenge (+)Strang (-)Strang Genom kann kontinuierlich oder segmentiert sein. Reassortment! RNA besitzt nicht die richtige Polarität = muss erst zu mrna umgeschrieben werden. Transkription findet in der Regel im Cytosol statt (ausser bei manchen Viren mit segmentiertem Genom, z.b. Orthomyxoviren). RNA-Polymerase wird mitgebracht Es entsteht in der Regel ein Polypeptid, welches proteolytisch gespalten wird, woraus wiederum die viralen Proteine enstehen. Es bestehen grosse Unterschiede im zwischen Viren mit kontinuierlichem Genom und solchen mit segmentiertem Genom

32 Genomreplikation doppelsträngige RNA Viren (z.b. Reoviren, Birnaviren) Umschreiben Des (-) Stranges Translation Haben immer ein segmentiertes Genom. Transkription findet im Cytosol statt, wobei jedes Segment separat transkribiert wird. Es wird nur der (-)Strang gelesen der dazu dient eine mrna mit Cap zu synthetisieren Synthese der Proteine und Zusammenbau des (prä)virions mit nur der (+)RNA findet im ER statt. Danach wird eine (-)RNA gemacht. Hier kann auch Reassortment stattfinden.

33 Genomreplikation Retroviren (z.b. HIV) Umschreiben (RT) der RNA in DNA Integration ins Genom Bei der Zellteilung weitergegeben Produktion viraler Proteine welche die virale mrna zu Viruspartikel verpacken (+) Strang RNA cdna (+)RNA dient nicht als mrna, sonder wird mittels RT umgeschrieben (in cdna). RT wird mitgebracht. Revere Transkription findet im Cytosol statt. Die cdna wird in den Kern geschleust und genomisch integriert (RT besitzt auch Integrase-aktivität) mrna wird durch zelluläre Enzyme produziert. Diese kann entweder direkt für Strukturproteine kodieren, oder sie produziert Proteine welche die zelluläre Genexpression regulieren. Strukturproteine und mrna werden zum Nucleocapsid zusammengebaut, welches durch Budding seine Membran erhält.

34 Einzelsträngige DNA Viren (z.b. Parvoviren) Genomreplikation Transkription mrna In der Regel kleines Genom Benötigen sich teilende Zellen (Replikation findet nur in der S-Phase statt) Replikation findet im Zellkern statt. Zelluläre DNA-Polymerase synthetisiert eine mrna die für Nicht-Struktur Proteine kodiert. Diese gehen in den Kern und steuern die DNA-Replikation und die Synthese von Strukturproteinen.

35 Genomreplikation Doppelsträngige DNA Viren Transkription Translation In der Regel grosses Genom Benötigen keine sich teilende Zellen (auch in Neuronen möglich) Replikation findet im Zellkern oder im Cytosol statt (abhängig vom Virustyp). Viren die im Cytosol replizieren (Pocken) besitzen schon alle Enzyme. Jene die im Kern replizieren benötigen zelluläre Enzyme (Papova oder Herpesviren) Zuerst wird eine mrna gebildet die für frühe Proteine kodiert = sind für Nucleinsäurestoffwechsel notwendig Nun erfolgt die Replikation der viralen DNA: linear mit RNA-Primer/ Proteinprimer oder als Ring (bidirektional oder als Rolling-circle). Nun können intermediäre und späte Proteine gebildet werden.

36 Rolling Circle -Replikation

37 Morphogenese und Freisetzung Die Morphogenese geschieht grösstenteils ohne die Hilfe zellulärer Enzyme. Membranhülle wird von intrazellulären Membranes geliehen. Freisetzung durch Budding (an lipid rafts), Lyse oder Apoptose.

38 Infektion: Folgen Die Zelle stirbt Die Zelle produziert kontinuierlich Viren (persistierende Infektion) Das Virrusgenom persistiert in der Zelle ohne dass sich Viren bilden (latente Infektion). Unter bestimmten Bedingungen kann die Produktion wieder erfolgen. Transformation (Immortalisierung) der Zelle.

39 Pathogenese Pathogenese: Ausbreitung eines Virus im Organismus und die wechselseitige Beziehung zwischen Virus und Wirt Verlauf kann apparent (mit Symptomen) oder inapparent (symptomfrei) sein Akute oder chronische Infektion Aktute Infektionen können ein- oder zwei-phasig verlaufen. Gelegentlich gibt es persistierende Infektionen, trotz Immunabwehr es werden kontinuierlich (HBV, HCV, HIV) Viren gebildet (Ansteckung!). Bei latententen Infektionen verbleibt nur das Genom, und es werden Viren nur nach Reaktivierung produziert (HSV, VZV). Virlunez: pathogenes Potential eines Virus

40 Verlauf einer Virusinfektion:

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