Viren mit einzelsträngigem, segmentiertem RNA-Genom in Negativstrang-Orientierung. Bekannter Vertreter

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1 Viren mit einzelsträngigem, segmentiertem RNA-Genom in Negativstrang-Orientierung Familien Orthomyxoviridae Bunyaviridae Arenaviridae Bekannter Vertreter Influenzavirus Hantaanvirus Lassavirus

2 Zoonosen Krankheiten und Infektionen, die natürlicherweise zwischen Wirbeltiere und Menschen übertragen werden können. Erreger können von Insekten übertragen werden. Definition der World Health Organization

3 Minus-Strang RNA Viren Gemeinsamkeiten Einzelstrang RNA Genom mit negativer Polarität; RNA muss erst umgeschrieben werden (transkribiert) werden, bevor sie zur Synthese von Proteinen verwendet werden kann. Genome kodieren für eine RNA-abhängige RNA Polymerase, die für die Synthese von mrnas und für die Replikation des viralen Genoms verantwortlich ist.

4 Expression und Replikation von viralen segmentierten (-) Strang RNA Genome Protein Expression mrna (+) 5 Translation C 3 Transkription RNA-Genom (-) 3 5 Replikation RNA (+) 5 3 RNA-Genom (-) 3 5

5 Expression und Replikation von viralen ambisense Genomsegementen Protein mrna (+) 5 Translation C 3 RNA-Genom (-) 3 5 RNA (+) 5 3 Replikation Transkription 3 C 5 mrna (+) Translation RNA-Genom (-) 3 5

6 Stehlen 5 Cap-Strukturen von zellulären mrnas (Cap-Snatching) Die CAP-Struktur spielt eine essentielle Rolle 1. Splicing der mrna; 2. Export der mrna aus dem Zellkern; 3. Translation der mrna; 4. Schutz der mrna vor Abbau 5 Ende der mrna

7 Capping bei Orthomyxo-, Bunya- und Arenviren Entfernen die ersten Nukleotiden der 5 Ende von zellulären mrnas und bauen diesen Abschnitt in ihre eigenen mrnas ein ( Cap-Snatching ); Vorteil: Bevorzugte Nutzung der zellulären mrna-prozessierungs-, Transport bzw. Translationsmaschinerien gegenüber zelulären mrnas.

8 Orthomyxoviridae Ortho: Echt, richtig (im Gegensatz zu Paramyxoviren) Myxo: Schleim

9 Humanpathogene Beispiele aus der Familie der Orthomyxoviridae Familie Genus Wirt Orthomyxoviridae Influenzavirus A Influenzavirus B Influenzavirus C Thogotovirus 1 Verursacht infektiöse Anämie der Lachse Isavirus Lachs 1 ; Mensch, Vogel, Säugetiere (u.a. Schwein, Pferd) Mensch, Robben Mensch, Schwein Übertragung durch Zecken auf Säugetiere;

10 Orthomyxoviridae: Aufbau der Viruspartikel * 100 * * 3000* Fields Virology 4 th edition, 2002, Chapter 41, Lippincott, Williams and Wilkins, 2002 Fig Je 30-60* 1000* Ungefähre *Anzahl Moleküle pro Virion (Influenza A)

11 Orthomyxoviridae (elektronen mikroskopische Aufnahme) images.htm Unterschiedliche Grössen und Formen von Influenzaviren (pleomorph). Sphären: nm Durchmesser Filamente: 20 nm Durchmesser; (bis zu 3000!) nm lang

12 Genomsegmente des Influenza A Virus Segment Länge (kb) Proteine Ges. mrna Name Berechn. MW (kd) Funktion 1 2,341 2,320 PB2 85,7 Polymerase 2 2,341 2,320 PB1 86,5 3 2,233 2,211 PA 84,2 4 1,778 1,757 HA 61,5 Anheftung an und Fusion mit Wirtszelle; Haupt- Antigene Determinante 5 1,565 1,540 NP 56,1 Bindet an RNA: Umschaltung zw. mrna/genom Synthese 6 1,413 1,392 NA 50,1 Neuraminidase; Antigene Determinante 7 1,027 1,005 M1 27,7 Matrix 0,315 M2 11,0 H+ Kanal 8 0,890 0,868 NS1 Regulationsfaktor; hemmt zellul. mrna Prozess. u. IFN Antwort 0,395 NS2 14,2 Kernexport von RNPs

13 Membranproteine der Orthomyxoviridae: Generelle Merkmale Fields Virology 4 th edition, 2002, Chapter 46, Lippincott, Williams and Wilkins, 2002 Fig. 46-6

14 Hämagglutinin-Trimer Hämagglutinin- Trimer 16 verschiedene Antigen-Typen Anheftung des Virus an die Zellmembran

15 Sialylsäuren dienen als Rezeptoren für die Anheftung von Orthomyxoviren alic%20acids/natural%20sialic_acids.htm Haüfigste Form der Sialylsäure beim Menschen

16 Sialylsäuren sind weitverbreitet auf Zelloberflächen alic%20acids/natural%20sialic_acids.htm

17 Proteine der Orthomyxoviren: Hämagglutinin (HA) (1) Kontakvermittlung zwischen Wirtszelle und Virus: Binden an Sialyl-Säuren auf Zelloberflächenmoleküle; (2) Freisetzung der Nukleokapside im Zellinneren: Vermittelt nach ph-abhängiger Konformationsänderung die Fusion der Virus-Membran mit der Endosomen-Membran. (3) Haupt-Antigen des Virus: Erkennung durch neutralisierende Antikörper verhindert Rezeptorbindung des Virus. (4) Verschiedene Subtypen: 16 HA Subtypen des Influenza A virus; unterschiedliche Antigenität, Aminosäuresequenzen, Rezeptorerkennung und Spaltbarkeit durch Proteasen.

18 Proteine der Orthomyxoviren: Protease-Spezifitäten von (HA) (z.b. Furin) Horimoto T and Kawaoka Y Nature Reviews Microbiology 3,

19 Proteine der Orthomyxoviren: Neuraminidase (NA) (1) Abspaltung von Sialyl-Säure Resten; Verhindert in infizierten Zellen die Anheftung des Virus an der Zellmembran und fördert damit die Freisetzung des Virus; Verhindert Verkleben der Viruspartikel? (2) Virus-Antigen; (3) Verschiedene Subtypen. 9 NA Subtypen des Influenza A virus;

20 Proteine der Orthomyxoviridae: M 2 Amantadin (1) Tetramer (2) Ionenkanal (H+) (3) Reguliert ph Wert in der unmittelbaren Virusumgebung: Ansäuerung des Virusinneren im Endosom => Freisetzung der Nukleokapside Verhindert ph-bedingte Konformationsänderungen von HA Fields Virology 4 th edition, 2002, Chapter 46, Lippincott, Williams and Wilkins, 2002 Fig

21 Proteine der Orthomyxoviren: Matrixprotein (M 1 ) (1) Stablisiert die Lipidhülle; (2) Wechselwirkungen: untereinander; mit den nach innen gerichteten Teilen der Lipidproteine (HA, NA,M2); mit den Nukleokapsiden. (3) Fördern die Verpackung der Nukleokapside in die entstehenden Viruspartikel.

22 Proteine der Orthomyxoviren: Nukleokapsid (NP) (1) RNA Bindung (reich an Argininen); (2) Beteiligung am Import der Nukleokapside in den Kern (NLS). (3) Reguliert RNA Synthese: Wichtig für die Umstellung von mrna Synthese auf die Genomreplikation.

23 Proteine der Orthomyxoviren: Polymeraseproteine (PB1,PB2,PA) (1) RNA-abhängige RNA polymerase: Hetero-trimerer Proteinkomplex; (2) Assoziiert mit den Enden der Genomsegmente; (3) Jedes Protein hat Kernlokalisationssignale; (4) Funktionen der einzelnen Proteine: PB2: Herstellung des Primers für die mrna Synthese ( cap snatching ); PB1: Polymeraseaktivität, Elongation; PA: Wichtig für die Synthese der Virusgenome; spielt möglicherweise eine Rolle für die Primer-unabhängige Initiation der crna (+) bzw. vrna (-) Synthese.

24 Proteine der Orthomyxoviren: Nichtstrukturproteine (NS1; NS2/NEP) (1) NS1: Bisher nur in infizierten Zellen nachgewiesen; Hemmt Kernexport und Splicing von zellulären mrnas; Verhindert die Expression von Interferongenen und die Aktivierung von NF-kappaB. (2) NS2: Export der Nukleokapside aus dem Zellkern in das Zytoplasma; In geringer Kopienzahl im Viruspartikel nachweisbar; (3) Weitere Nichtstrukturproteine: PB1-F2 (Influenza A); akkumuliert in Mitochondrien; induziert Apoptose.

25 Proteine der Orthomyxoviridae: NS2 = Nuclear Export Protein Nukleokapsid Fields Virology 4 th edition, 2002, Chapter 46, Lippincott, Williams and Wilkins, 2002 Fig

26 Influenza mrna Synthese durch den viralen Polymerasekomplex (PB1,PB2,PA) Principles of Virology, Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Fig

27 Influenzavirus mrna Synthese: Splicing RF 0 RF 0 RF +1 RF +1 Segment 7 Segment 8 Fields Virology 4 th edition, 2002, Chapter 46, Lippincott, Williams and Wilkins, 2002 Fig Fields Virology 4 th edition, 2002, Chapter 46, Lippincott, Williams and Wilkins, 2002 Fig

28 1. Anheftung 2. Membranfusion; Freisetzung der Nukleokapside 3. Import der Nukleokapside in den Zellkern Virale mrna synthese, splicing, export der mrna i.d. Zytoplasma 10. Import von PA,PB1,PB2 und NP in d. Kern; Synthese d. +RNA Matritze und -RNA Genome 10b. Import von von M1 und NS in den Kern; Zusammenbau d. Nukleokapside 14. Export in d. Zytoplasma Einbau von HA, NA und M2 in die Zellmembran; 7. Synthese von HA, NA, M2 am ER Synthese der anderen Protein im Zytolasma Assoziation der Nukleokapside mit Hüllproteine über M Abknospung des Virus. Principles of Virology, Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix Fig. 9

29 Influenzavirus A Reservoirs The reservoir of influenza A viruses. The working hypothesis is that wild aquatic birds are the primordial reservoir of all influenza viruses for avian and mammalian species. Transmission of influenza has been demonstrated between pigs and humans (solid lines). There is extensive evidence for transmission between wild ducks and other species, and the five different host groups are based on phylogenetic analysis of the nucleoproteins of a large number of different influenza viruses. (From Fields Virology, 4th ed, Knipe & Howley, eds, Lippincott Williams & Wilkins, 2001, Fig )

30 Endemie, Epidemie, Pandemie: Definitionen

31 Genetische Variabilität des Influenzavirus (1) Antigenic Shift: Neusortierung von Segmenten in Wirten die mit zwei verschiedenen Influenzavirustypen infiziert sind. (2) Antigenic Drift: Langsamere Veränderung des Virus durch Mutationen in vorhandenen Genen;

32 Influenza / Rekombination Bei gleichzeitiger Infektion einer Zelle mit zwei verschiedenen Influenza-Viren können Genom-Segmente ausgetauscht werden. Es entstehen neue rekombinante Viren mit veränderten antigenen Eigenschaft, gegen die in der menschlichen Population keinerlei Immunität besteht. Hämagglutinin Neuraminidase

33 Influenzavirus A Ausbrüche: HA, NA, PB1 HA, PB1 Direkte Übergang eines Vogelvirus auf den Menschen Erwerb von Gensegmenten aus Vogelviren Horimoto T and Kawaoka Y Nature Reviews Microbiology 3,

34 Vogelgrippe Erkrankungen und Todesfälle Stand : 256 gemeldete Fälle (weltweit), davon 151 Tote

35 Influenza / Symptomatik 1. Plötzlicher Beginn nach kurzer Inkubationszeit (1-3 Tage) 2. Hohes Fieber (bei Kindern >39 C) mit Kältegefühl 3. Schweres Krankheitsgefühl (Kopf-, Muskel-, Gliederschmerzen) 4. Symptome des gesamten Respirationstrakts (Schnupfen, Husten, Sputumproduktion) 5. Langdauernde Rekonvaleszenz (über Wochen Leistungsschwäche)

36 Influenza / Diagnosik Klinische Diagnose: Hohe Treffsicherheit in Epidemiezeiten Labordiagnose: 1. Nachweis viraler Antigene (Immunfluoreszenz oder Enzymtest im Nasensekret, schnell) 1. Nachweis viraler RNA mittels PCR (im Rachenspülwasser, 1-2 Tage, teuer) 1. Züchtung aus Rachenspülwasser (zur Charakterisierung des Virus) 4. Antikörper-Titeranstieg gegen Influenza A oder B Nukleoprotein (2. Serum nach Tagen, für Akutdiagnostik zu langsam)

37 Prophylaxe und Therapie der Influenza A Infektion mit Amantadin (1) Wirkungsweise: Blockert M2 Ionenkanal (2) Resistenz durch ein bis wenige Mutationen; (H5N1 Isolate aus Thailand u. Vietnam resistent gegen amantidin) (3) Pharmakologie: Gute orale Resorption; Maximaler Serumspiegel: 2-4 Std. Maximaler Gewebespiegel: 48 Std Halbwertszeit: 20 Std. (4) Effektivität: Prophylaxe: Verhindert in 70-80% d. Fälle Erkrankungen Therapie: Fiebersenkung: 50%. Verkürzung der Krankheit um 1-3 Tage. (5) Nebenwirkungen (7-33%) ZNS: verminderte Alkoholtoleranz; Halluzinationen, Angst, Schlaflosigkeit; Durchfall

38 Prophylaxe und Therapie der Influenza A Infektion mit Neuraminidase Inhibitoren (1) Medikamente: Zanamivir-Spray (Relenza TM); nur lokal anwendendbar. Oseltamivir-Tabletten (= Tamiflu TM) (2) Resistenz durch ein bis wenige Mutationen. (3) Effektivität: Nur zur Prophylaxe: Gabe vor Auftreten der Krankheit bzw. innerhalb von 48 Stunden nach Krankheitsbeginn. Verhindert in 70-80% d. Fälle Erkrankungen Erste Fälle von resisten Viren traten in zwei an Vogelgrippe erkrankten vietnamesischen Mädchen auf. (4) Nebenwirkungen Übelkeit: 12%; Erbrechen: 2.5%.

39 Influenza / Impfempfehlung Alle Personen > 60 Jahre Personen mit Herz-, Lungenerkrankungen Immunsupprimierte Medizinisches Personal Menschen mit ausgedehntem Publikumsverkehr

40 Problem bei der Impfstoffherstellung gegen Influenza: Resistenz gegen welchen Stamm?

41 Herstellung eines Impfstoffes gegen Influenza Reverse Genetics

42 Impfstoffe gegen Grippe (1) Zwei Typen: Inaktiviertes Virus (Spritze) Attenuiertes Virus (Nasen-Spray) (2) Jeder Impfstoff enthält zwei Influzenza A Virus Typen (je nach den zur Zeit vorherrschenden Typen und ein Influenza Virus B Typ.

43 Zusammenfassung der Merkmale von Orthomyxoviren 1. Viruspartikel mit Lipidhülle; HA vermittelt Anheftung und Fusion mit der Zellmembran der Wirtszelle ; 2. Einzelstrang RNA Genom mit negativer Orientierung; 8 (7) Genomsegmente 3. mrna Synthese und Replikation des Genoms im Zellkern 4. mrna Synthese : cap-snatching ; Splicing. 5. Genetische Variabilität durch Austausch von Gensegmenten (antigenic shift) und Mutation einzelner Gene (antigenic drift). 6. Vögel bilden ein Reservoir für Influenza A. Direkte Übertragung des Vogelvirus auf den Menschen möglich. 7. Therapie und Prophylaxe: Antivirale Wirkstoffe: Amantadin, Tamiflu; Impfstoff.

44 Bunyaviren Gattung Tier-Vektor Human-Pathogene Vertreter (Beispiele) Orthobunyavirus Mücken; California-Encephalitis Virus; La-Crosse-Virus; Tahynavirus Phlebovirus Mücken, Sandfliegen Rift Valley Fever Virus Sandfly Fever Virus Nairovirus CCHF-Virus Hantavirus Nagetiere HantaanvirusSin Nombre Virus Seoul Virus Puumala Virus Tospovirus 1 Thysanoptera Keine: Pflanzenviren

45 Bunyaviridae: Aufbau der Viruspartikel Aus, Modrow S, Falke D, Truyen U, 2. Auflage; Abb. 16.6, S. 344

46 Bunyaviridae: Proteine Aus, Modrow S, Falke D, Truyen U, 2. Auflage; Tab. 16.7, S. 347

47 Bunyaviridae: Replikationszykus Schnell replizierende Viren (6h) (1) Zelleintritt Hantavirus-Rezeptor: Integrine mit ß 3 -Kette; Aufnahme über Rezeptor-vermittelte Endozytose Freisetzung der Nukleokapside durch ph-abhängige Membranfusion (2) Replikation: Ausschliesslich im Zytoplasma; mrna Synthese in Nukleokapsiden; mrnas haben Cap aber kein polya-schwanz Umschalten von Transkription auf Replikation durch Bindung von N-Protein an die RNA (verhindert Capping)

48 Bunyaviridae: Transkription, Translation und Genomreplikation Hantaanvirus Aus, Modrow S, Falke D, Truyen U, 2. Auflage; Abb. 16.7, S. 344

49 Bunyaviridae: Transkription, Translation und Genomreplikation Phlebovirusvirus Aus, Modrow S, Falke D, Truyen U, 2. Auflage; Abb. 16.7, S. 344

50 Zelluläres sekretorisches System html fig.cox.miami.edu/~cmallery/ 150/cells/sf5x8b.jpg

51 Bunyaviridae: Replikationszyklus/Zusammenbau Zusammenbau und Ausknospung an Bestandteilen des zellulären sekretorischen Systems; G-Polyprotein wird im rauhen ER synthetisiert Co-translationelle Spaltung von G in G1 und G2 und Glykosylierung; Transport von G1 und G2 zum Golgi-Komplex (erfordert G1 + G2) und Retention; Ausknospung der Viren in Vesikel; Lipidhülle des Virus stammt von intrazellulären Membranen des Golgi-Apparats ab

52 Humanpathogene Bunyaviren Genus Virus Krankheit Tierreserv Übertragung Orthobunyavirus California Encephalitis Virus Encephalitits Nagetiere, Kaninchen Mückenstiche Phlebovirus Rift Valley Fever Virus Fieber, Kopfschmerzen, Myalgien, Photophobie Kühe Mückenstiche oder Aerosole von infizierten Tieren Hantavirus Hantaanvirus Hemorrhag. Fieber m. nephropathischem Syndrom (HFRS) Koreanische Feldmaus durch Urin und Kot von infizierten Tieren (Einatmen von Aerosolen) Hantavirus Sin Nombre Virus Hantavirus pulmonary syndrome Deer mouse durch Urin und Kot von infizierten Tieren

53 Humanpathogene Bunyaviren: Hantaaviren

54 Hantavirus Pulmonary Syndrome Clinical Presentation Häufig Fieber Muskelschmerzen Übelkeit/Erbrechen Husten Kann vorkommen Schwindel Gelenkschmerzen Kurzatmigkeit (im späteren Lauf der Krankheit) Selten Schnupfen Halsweh

55 Hemorrhagisches Fieber mit nephropathischem Syndrom Inkubationszeit durchschnittlich 1-2 Wochen; Plötzliches hohes Fieber, Frösteln, Muskelschmerzen; Können mit Kopf- und Rückenschmerzen verbunden sein. Hemorrhagische Symptome: punktförmige Blutungen in d. Augenbindehaut und in Schleimhautbereichen (30% d. Fälle) Blutdruckabfall (Schockzustände in 15% d. Fälle; können tödlich verlaufen); Bei Normalisierung des Blutdrucks verminderte Nierenfunktion; Überwindung der Krankheit wird durch verstärkte Urinbildung (3-6 l/tag) eingeläutet Normalisierung der Elektrolytwerte kann bis zu 3 Monate andauern.

56 Arenaviridae Genus Gruppe Human- Pathogene Vertreter (Beispiele) Lymphozytäre Choriomeningitis Virus (LCMV) Altwelt- Viren Arenavirus Neuwelt- Viren Lassavirus Juninvirus Guanaritovirus Machupoviren Sabiavirus Tier- Reservoirs Ratten, Mäuse Ratten, Mäuse Ratten, Mäuse Ratten, Mäuse Ratten, Mäuse Ratten, Mäuse, Fledermaus Geographische Verbreitung Europa, Amerika (Nord- und Süd), Asien West-Afrika: Nigeria, Liberia, Guinea, Sierra Leone Argentinien Venezuela Bolivien Brasilien

57 Arenaviridae: Aufbau der Viruspartikel Arena : Partikel sehen sandig aus, aufgrund von inkorportierten Ribosomen Aus, Modrow S, Falke D, Truyen U, 2. Auflage; Abb. 16.8, S

58 Arenaviridae Proteine Protein Grösse kd Funktion Modifizierung Lokalisation im Virion Interaktionspartner NP Haupt Nukleokapsid- Protein Nukleokapsid Kann phosphorylier t werden Virale genomische RNA GPC Vorläufer von GP1 und GP2 GP Zellkontakt Membran assoziiert; Spitze des Stachels N-Glykosyliert GP2 GP2 35 Fusion mit Zellmembran Membran; Trans- Membran Domäne; N- term. Domäne nach aussen N-Glykosyliert GP1, NP,andere GP2 Moleküle (Bildung von Homo-Tetramere L RNA-abhäng. RNAPolym. Nukleokapsid Nicht bekannt RNA; Weitere Partner unbek. Z 11??? Bindet Zn 2+ RING- Finger Motiv

59 Arenaviridae verursachte Krankheiten bei Menschen: Genus Gruppe Human- Pathogene Vertreter (Beispiele) Leichte Grippeähnliche Erkrankung Hemorrhagisches Fieber Altwelt- Viren Arenavirus Neuwelt- Viren Lymphozytäre Choriomeningitis Virus (LCMV) Lassavirus Juninvirus Guanaritovirus Machupoviren Sabiavirus Krankheit

60 Verbreitung Lassa Fieber Tierreservoir) Rattenart Inkubationszeit: bis zu 3 Wochen; Krankheit: hämorrhagisches Fieber Symptome: hohes Fieber, Halsschmerzen, Rachenentzündung, Schleimhautblutungen, Hepatitis, Encephilitis Mortalität 15-20%

61 Unterschiede: Viren mit einzelsträngigem, segmentiertem RNA-Genom in negativstrang-orientierung Arenaviridae Bunyaviridae Influenzaviridae Gattungen Genomsegmente Ambisense Segm. 2 ja 3 nur Phleboviren 8 nein Arboviren* nein ja nein Replikationsort i.d. Zelle Zytoplasma Zytoplasma Zellkern Ausknospung Zellmembran Golgi-Membran Zellmembran *Arboviren: Arthropod borne viruses

62 Gemeinsamkeiten: Viren mit einzelsträngigem, segmentiertem RNA-Genom in negativstrang-orientierung Behüllt; Segmentierte Genome; RNA-abhängige RNA Polymerase; Cap-Snatching Tier-Reservoirs