Allgemeine Virologie

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1 Institut für Medizinische Mikrobiologie Abteilung für Virologie Allgemeine Virologie Jena, 18. Dezember 2017 Dr. med. Stefanie Deinhardt-Emmer

2 Inhalt I. Biologische Grundlagen II. III. Die virale Replikation/ Infektion Diagnostik IV. Examensfrage

3 Geschichte der Virologie Erste Dokumentationen von Virusinfektionen Pharaoh Siptah verstarb 1193 vor Chr. linkes Bein der Mumie ähnelte einem Pferdehuf, ein typisches klinisches Symptom einer paralytischen Poliomyelitis upload.wikimedia.org/wikipedia/ commons/7/71/siptah_left_leg.png Ramses V verstarb 1145 v. Chr., Anzeichen für Pockeninfektion erkennbar

4 Geschichte der Virologie Impfung: endemische Verbreitung von Pocken 1000 v. Chr. Entwicklung erster Impfversuche in China Inhalation getrockneter Pockenschuppen 1721 Lady Montague: Variolation in UK Schutzimpfung gegen Pocken mit Krustenmaterial historyofmedicine/3-immunology/3-lecture.html

5 Geschichte der Virologie Impfung: 1796 Edward Jenner: Erste Impfung (Kuhpockenlymphe) Vakzine = Impfstoff Louis Pasteur ( ) 1885: Tollwut-Schutzimpfung mittels Hirngewebsextrakt infizierter Kaninchen historyofmedicine/3-immunology/3-lecture.html

6 Geschichte der Virologie Impfprogramme: Pocken: seit 1980 ist die Welt von der WHO als pockenfrei erklärt (letzter Fall 1977 in Somalia) Poliomyelitis (Kinderlähmung): stark zurückgegangen, nicht ausgerottet Masern: mittlerweile hohe Durchimpfung Diphterie, Tetanus, Keuchhusten Übertragung Tier çè Mensch Mensch çètier = Zoonose! Empfehlungen der Ständigen Impfkommission (STIKO): STIKO@rki - die erste Impf-App für Ärzte

7 Begriff Virus 1892 Dimitri Ivanofsky Erreger der Tabak-Mosaik-Krankheit ist nicht filtrierbar und nicht zu chtbar 1898 Martinus Beijerinck Erreger der Tabak-Mosaik-Krankheit vermehrt sich in lebendem Gewebe Erreger ist: ultrafiltrierbar, nicht zu chtbar ausserhalb lebendem Gewebe, unsichtbar Contagium vivum fluidum ; später Virus (lat. Gift) s.springer.com%2f2010%2f

8 Beispielhafte Ausbrüche seit : Severe Acute Respiratory Syndrome SARS Corona Virus : Ebola Epidemie West Afrika 2015: Ausbruch Brasilien Zika Virus Guillain-Barré Syndrom (1952 identifiziert) /Ebola_virus Image credit: C. Goldsmith/CDC zika-virus/history/en/ 2009: pandemisches Influenza Virus (H1N1) /Pandemie_Node.html

9 I. Biologische Grundlagen

10 Viren sind überall Häufigkeit von Viren wird dramatisch unterschätzt Virosphäre ca. 3x10 9 Viruspartikel/l Meerwasser ca. 4x10 30 Viruspartikel in den Ozeane dies entspricht ca. 8x10 8 Tonnen biologisch gebundenem Kohlenstoff aneinander gereihte Viruspartikel 4x10 23 m lang (ca. 107 Lichtjahre..) C. Suttle NATURE 437: 356ff (2005) C. Suttle NATURE 437: 356ff (2005)

11 Viren sind überall Tiefsee unter Eisschichten (bis 30m dick) Salinen alkalische Seen (ph10) Die häufigste biologische Form im Meerwasser...? Viren! Alle Spezies haben ihre Viren

12 Was sind Viren Ist diese Aussage korrekt???

13 Was sind Viren Viren sind obligat intrazelluläre Parasiten ohne eigenen Stoffwechsel Virusgenome können aus DNA oder RNA bestehen Das Virusgenom wird in der Wirtszelle repliziert; es steuert die Synthese der übrigen Virusbestandteile Virusnachkommen werden aus neu gebildeten Komponenten zusammengesetzt (Assembly) Neu gebildetes Virion ist ein Vehikel, mit dem das virale Genom zur nächsten Wirtszelle oder Wirtsorganismus transportiert wird. Dort beginnt der nächste Replikationszyklus.

14 Viruses cannot be incorparated into the tree of life because of their inability to self-sustain and self replicate, their polyphyly, the cellular origin of their cell-like genes and the volatility of their genomes through time. Moreira & Lopez-Garcia, Nature Reviews of Microbiology, 2009

15 Größe der Viren Mensch ca Gene (5 x 10 9 Bp) E. coli ca Gene (4 x 10 6 Bp) Viren 1 ca. 400 Gene (ab ca. 2 x 10 3 bis 4 x 10 5 ) Principles of Virology, Flint et al., 2004

16 Virus-Größe

17 Electronmicroscope image of HSV Type I x

18 Ursprung der Viren Virus-first hypothesis: Viren waren schon in der Ursuppe da. Einigen Molekülen gelang es, sich als replikationsfähige Partikel zu verpacken und Wirtszellen zu infizieren (Koevolution). Regressive (degeneracy) hypothesis: Degeneration aus Bakterien und/oder ähnlichen Organismen. Diese haben sukzessiv ihr Genom verkleinert, bis sie nur noch fähig waren, sich innerhalb von Wirtszellen zu replizieren. Cellular origin (escape) hypothesis: Entstehung aus wirtszelleigenen Nukleinsäuren (selbständig gewordene DNA/RNA).

19 Virus Struktur I. Nukleinsäure II. Protein Kapsid Nucleokapsid III. Lipid Hülle (optional)

20 Was sind Viren Virion: aus Proteinen und Nukleinsäure zusammengesetztes, physikalisch-chemisch definiertes komplettes Partikel +/- Hülle extrazellulär oder intrazellulär überträgt die Infektion von Zelle zu Zelle Virus: gesamtes infektiöses Prinzip

21 Aufbau eines Viruspartikels Genom + = Nukleokapsid Kapsomer Proteine helikal komplex ikosaedrisch (kubisch)

22 Symmetrie des Nukleokapsids Kurzlehrbuch Medizinische Mikrobiologie und Infektiologie; Groß

23 Was sind Viren Viruspartikel: Proteinstruktur reine Zweckkonstruktion : Genom-Shuttle benötigte Funktionalität wird mit einfachstem Aufbau realisiert (genetischer Platzbedarf ist gering) extrazellulär: Schutz des viralen Genoms Andocken an die Zielzelle Aufnahme in die Zielzelle intrazellulär: intrazellulärer Transport Freisetzung des viralen Genoms Ausschleusung von Nachkommenviren

24 Klassifizierung der Viren Art der Nukleinsäure (DNA oder RNA) Anzahl und Struktur der Nukleinsäure (einzel- oder doppelsträngig, linear, zirkulär, zirkulär mit Unterbrechungen, segmentiert) Polarität der Nukleinsäure: positiv- (+) oder negativ-strängig (-) Symmetrie des Nukleokapsids Vorhandensein oder Fehlen einer Virushu lle

25 Virale Replikationsstrategien Baltimore Schema â basierend auf dem genetischen System des Virus â beschreibt Beziehung zwischen viralem Genom und mrna mrna = positiv (+) Orientierung (äquivalent zur DNA-Orientierung)

26 Virusgenom Partikelbildung und Verpackung des Genom Verbreitung auf andere Zellen und Wirtsorganismen Regulation des Replikationszykluses Kodierung von Genprodukten und Informationen für Enzyme des Energiestoffwechsels Faktoren der Membranbiosynthese Telomere, Zentromere Proteinsynthese- Maschinerie (rrna, Translationsfaktoren) Kodieren nicht

27 zirkulär, ein- oder zweisträngig Virusgenom DNA-Viren RNA-Viren einzelsträngig einzelsträngig (+)/(-) Orientierung doppelsträngig doppelsträngig segmentiert, doppelsträngig

28 Influenza Virus Austausch genetischer Information Reassortment viraler Erbinformation bei segmentierten Genomen %2F%2Fupload.wikimedia Duale Reihe Medizinische Mikrobiologie; Dörries

29 Zusammenfassung: Unterschiede Viren - Bakterien Vergleich Viren Bakterien Größe nm Ausnahme: Mimivirus > 0,5µm 0,5 10µm Typ Partikel Einzeller Vermehrung Obligat intrazelluläre Parasiten, werden von Wirtszelle reproduziert Meist durch Zellteilung Stoffwechsel Kein eigener Stoffwechsel Eigener Stoffwechsel Lebewesen nein ja

30 II. Die virale Replikation/ Infektion

31 Virale Invasionswege Duale Reihe Medizinische Mikrobiologie; Dörries

32 Ausbreitung einer Virusinfektion im Wirt Duale Reihe Medizinische Mikrobiologie; Dörries

33 Ausbreitung einer Virusinfektion im Wirt Der Ort der primären Infektion ist nicht immer der Ort der Manifestation Manifestationsrate ist meistens < Infektionsrate z.b.: Poliomyelitis 0.1% Akute Hepatitis B 1% Röteln Exanthem 50 % Masern Exanthem quasi 100%

34 Virale Replikation Die Replikationsstrategie bestimmt den Ort der Replikation RNA Viren: benötigen eigene Polymerasen è Replikation im Zytoplasma Ausnahmen: Poxviren è haben eigene Replikationsenzyme DNA-Viren: nutzen zelluläre DNA-Polymerasen è Replikation im Zellkern Ausnahmen: Orthomyxo-, Bunyaviren è nutzen Splicing-Mechanismen im Kern Retroviren èintegration ins Zellgenom

35 Replikationsstrategie - Polarität = das Verhältnis eines einzelsträngigen viralen Genoms zur Leserichtung der späteren messenger- RNA (mrna), die sich von diesem Genom ableitet

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38 Viraler Replikationszyklus 1. Adsorption 2. Penetration 3. Uncoating Proteinsynthese 4. Replikation 5. Morphogenese 6. Freisetzung

39 viralzone

40 Virale Replikation 1. Adsorption Erkennung und Bindung an den Rezeptor auf der Zellmembran (Wirtsspezifität, Zellspezifität) âprotein (Glykoproteine) âkarbohydrate âlipide (Glykolipide) Principles of Virology Flint et al primäre Rezeptoren: hohe Affinität zum Virus (Erkennung) 2. Korezeptoren schwache Affinität (Internalisierung)

41 Virale Porenbildung Lee et al., Architecture of a nascent viral fusion pore, 2010

42 Virale Replikation 2. Penetration Aufnahme der Viren in das Zellinnere, bei umhüllten Viren: Membranfusion, rezeptorvermittelte Endozytose unbehüllte Viren behüllte Viren Einschleussen der Nukleinsäure über Poren; Membranauflösung (nach Endocytose) Uncoating beginnt hier! Verschmelzen mit Zielzelle ph unabhängig (an der Zelloberfläche) ph abhängig (nach Endocytose)

43 Virale Replikation 3. Uncoating Freisetzung der viralen Nukleinsäure 4. Replikation Genomexpression und Vermehrung der viralen Nukleinsäure 5. Morphogenese Zusammenbau der einzelnen Virusbestandteile zu infektiösen Viruspartikeln (Assembly) 6. Freisetzung durch Knospung (Budding), Lyse der infizierten Zelle, Apoptose unbehüllte Viren umhüllte Viren Freisetzung: Lyse Freisetzung: Knospung

44 Replikationszyklus Herpes simplex Virus ViralZone

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46 Sie wird zerstört und stirbt Folgen für die Wirtszelle chronisch (persistierend) infiziert Sie überlebt, produziert aber kontinuierlich geringe Mengen von Viren Sie überlebt und das Virusgenom bleibt im latenten Zustand erhalten infektiöse Partikel werden gebildet (Transformation) Ú maligne Entartung zur Tumorzelle ist möglich Sie wird immortalisiert und erhält die Fähigkeit zur kontinuierlichen Teilung

47 Zytopathischer Effekt (CPE) Morphologie von Hundenierenepithelzellen (MDCK) nach Infektion mit Influenza Viren in vitro Zellen (MDCK) uninfiziert Zellen + Influenza Virus 32h MDCK + Influenza Virus 48h

48 Zytpathischer Effekt

49 Klassifikation viraler Infektionen: Lytisch Abortiv Persistent Transformierend Latent

50 Klinische Klassifikation nach Symptomatik, z.b. Durchfallserreger Übertragungswege, z.b. Vektor-übertragene Infektionen Vorkommen, z.b. Reiseerkrankungen Patientenkollektiv, z.b. opportunistische Erreger beim Immundefizienten Aerosole; Tröpfcheninfektion Kontakt- und Schmierinfektion Austausch von Körperflüssigkeiten Blut-saugende Insekten

51 Verlaufsformen Virusinfektion 1. Suszeptive Zelle: Virus kann Zelle infizieren 2. Permissive Zelle: Virus kann Zelle infizieren und produktiv replizieren

52 Aufbau Replikation Was sind Viren Infektionsverlauf Einteilung

53 III. Diagnostik

54 Virologische Labordiagnostik beruht auf 2 Prinzipien Direkter Virusnachweis Nachweis spezifischer Antikörper

55 1. Zellkultur Zytopathischer Effekt (CPE) Zellen (MDCK) - uninfiziert Zellen + Influenza Virus 32h MDCK + Influenza Virus 48h Fragestellung hinsichtlich der phänotypischen Resistenz Zur Isolierung des Virus

56 2. PCR = direkter Nukleinsäurennachweis Nachweis viraler DNA- oder RNA-Genome Real time (Echtzeit, RT) PCR = quantitativer Genomnachweis zur Bestimmung der Viruskonzentration Therapiekontrolle (HIV) Status Immunsuppression CP=crossing point=threshold

57 Quantitative real time PCR 1. Thermocycler (PCR-Maschine) 2. Optische Methode zur Darstellung

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59 3. Serologie = Nachweis spez. Antikörper und Antigene s-mitte.de/wpcontent/uploads/201 6/11/Roerchen-mit- Roerchen-im-HG.jpg

60 Serologie

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62 Serologische Methoden Immunoassay Agglutination Präzipitation Komplementbindung Immunhistochemie

63 Immunoassay ELISA = Enzyme-linked Immunosorbent Assay

64 Sandwich ELISA (1) coat-antikörper, an den Boden der Mikrotiterplatte (nicht dargestellt) gebunden; (2) Zugabe der Probe und Inkubation; (3) Zugabe des Detektions-Antikörpers; (4) Zugabe und Komplexbildung des enzyme-linked Antikörper Antigen Antikörper; (5) Zugabe eines zum Enzym passenden Substrats, das zu einem nachweisbaren Reaktionsprodukt umgesetzt wird.

65 -automatisierte Systeme (Diasorin)

66 Multiplex-Diagnostik RT-PCR Cito-Diagnostik: FilmArray, Cepheid, Roche Multiplex PCR Respiratory Panel: 20 targets RESPIRATORY PANEL MENU VIRUSES: Adenovirus Coronavirus HKU1 Coronavirus NL63 Coronavirus 229E Coronavirus OC43 Human Metapneumovirus Human Rhinovirus/Enterovirus Influenza A Influenza A/H1 Influenza A/H3 Influenza A/H Influenza B Parainfluenza Virus 1 Parainfluenza Virus 2 Parainfluenza Virus 3 Parainfluenza Virus 4 Respiratory Syncytial Virus BACTERIA: Bordetella pertussis Chlamydophila pneumoniae Mycoplasma pneumoniae

67 IV. Examensfragen

68 Der Begriff Virion beschreibt: 1. Die Proteinhülle um das virale Genom 2. Die Untereinheit des Kapsids 3. Komplex aus Protein und Nukleinsäure 4. Doppelmembran zellulären Ursprungs und die viralen Glykoproteine HÜLLE 5. Das reife Viruspartikel KAPSID KAPSOMER NUKLEOKAPSID VIRION

69 Virusaufbau Capsomer Capsid Membranhülle Membranprotein Glycoprotein Virus = zellfreie, geschützte Nukleinsäure (RNA oder DNA) Genom (Nucleinsäure) Nucleoprotein Funktion von Capsid (+/- Membranhülle) âverpackung und Schutz des Genoms âextrazelluläres Transportvehikel âanheften an Zielzelle Nucleocapsid

70 Welche Aussage zum Uncoating ist richtig? 1. Viren benötigen für das Uncoating keine zellulären Enzyme 2. Das Uncoating ist nicht Bestandteil der Replikation 3. Dieser Prozess beschreibt die Freisetzung der Nukleinsäure 4. Viren replizieren ausschließlich im Zellkern 5. Das assembly von Virusbestandteilen ist abhängig von der Uncoating-Strategie

71 Virus-Übersicht Herpesviridae DNA Viren dsdna Parvovirus B19 Reoviridae Rotavirus Coronaviridae HCoV SARS-CoV Paramyxoviridae Mumpsvirus Alphaherpesvirinae HSV-1 Picornaviridae Enteroviridae Coxsackie Morbillivirus * HIV 1 Parvoviridae Retroviridae Retro Viren ssrna (RT) dsrna (RT) Orthoretrovirinae Lentivirus Hepadnaviridae HSV-2 ECHO Pneumovirus (RSV) VZV Entero Metapneumovirus Deltaretro virus Betaherpesvirinae CMV Humane Rhinoviren Parainfluenzavirus * HTLV HHV-6 Hepatoviridae HAV Masernvirus HHV-7 ssdna RNA Viren dsrna ssrna (+) Caliciviridae Norovirus Norwalk- Virus Deltavirus ssrna (-) HDV Gammaherpesvirinae EBV Flaviviridae Hepacivirus HCV Rhabdoviridae Rabiesvirus (Tollwut) HHV-8 FSME Bunyaviridae Hantaviridae Polyomavirus JCV, BKV West-Nil Papillomaviridae HPV Dengue Orthomyxoviridae Influenza A/B/C Viren Hepadnaviridae HBV Gelbfieber Poxviridae Variolavirus (eradiziert), Molluscum- contagiosum- Virus Hepeviridae Orthohepevirus HEV Arenaviridae Lassa-Virus Adenoviridae Humane Adenoviren A-F Togaviridae Rubivirus Rötelnvirus Alphavirus Chikungunya- Virus

72 Wichtige Begriffe Lokale Infektion = Virus bleibt auf Eintrittspforte begrenzt Disseminierte Infektion = Virus verbreitet sich im Organismus (generalisierte Infektion) Virämie = Anwesenheit von Virus im Blut primäre V. = Virusproduktion an Eintrittspforte und Freisetzung in Blutstrom sek. V. = verzögerte hochtitrige Virusproduktion als Ergebnis einer disseminierten Inf. Tropismus = Fähigkeit eines Virus in ein best. Gewebe einzudringen und sich dort zu vermehren (z.b. enterotrop, neurotrop, pantrop) Bestimmt durch Zugänglichkeit der Zielzelle Suszeptibilität (Vorkommen des Rezeptors) Permissivität der Zielzelle (Wirtszellfaktoren fu r Replikation) Umgehung der Abwehrreaktionen (angeborene und erworbene Immunität) Virulenz = Fähigkeit eines Virus eine Erkrankung zu verursachen (virulent, avirulent, attenuiert)