Allgemeine Virologie SS Klassifizierung und Taxonomie von Viren

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1 Allgemeine Virologie SS 2018 Klassifizierung und Taxonomie von Viren Rainer G. Ulrich Friedrich-Loeffler-Institut Institut für neue und neuartige Tierseuchenerreger D Greifswald - Insel Riems rainer.ulrich@fli.de

2 Virologie-Ausbildung VL Allgemeine Virologie SS VL Molekulare Virologie WS VL Molekulare Aspekte viraler Wechselwirkungen SS S Aktuelle Fragen virologischer Forschung WS P Molekulare Virologie WS P Betriebspraktikum Virologie Bachelorarbeiten / Masterarbeiten

3 Allgemeine Virologie SS Meilensteine der Virologie J. Stech Klassifikation und Taxonomie von Viren R. Ulrich Virusdiagnostik R. Ulrich Virusaufnahme und Replikation T. Mettenleiter Epidemiologie R. Ulrich Ultrastruktur von Viren J. Stech Projektwoche Pathogenese und Virus-Zell-Interaktionen T. Mettenleiter Genetik und Evolution der Viren S. Finke Immunantwort und Impfstoffe S. Finke keine Vorlesung Tumorviren, Transformation und Tumorbildung S. Finke Viren als Werkzeuge T. Hoenen Chemotherapie und Zytokine S. Finke Führung FLI Insel Riems T. Mettenleiter Klausur: (Nachklausur: )

4 Allgemeine Virologie SS Benutzername: Passwort: student Studenten-HGW Die Vorlesungsfolien werden ausschließlich zur Nachbearbeitung der Vorlesung zur Verfügung gestellt und ersetzen nicht den regelmäßigen Besuch der Vorlesung!

5 Molekulare Virologie - Modrow et al. Principles of Virology - Flint et al. Fields Virology - Knipe et al.

6 Zusammenfassung Die Virustaxonomie ist eine sich in der Entwicklung befindliche Disziplin, die auf verschiedenen Unterscheidungskriterien beruht. Phylogenetische Verwandtschaftsbeziehungen spiegeln sich nur teilweise wider.

7 Gliederung 1. Virusdefinition und subvirale Elemente 2. Klassifizierung von Viren nach Krankheitsbildern gemäß der Epidemiologie nach infiziertem Wirt 3. Virustaxonomie Klassifizierungsmerkmale Baltimore-Schema Nomenklatur Überblick über Virusfamilien Artbegriff in der Virologie 4. Überblick über einige Virusgruppen Taxonomie und Phylogenie?

8 1. Virusdefinition und subvirale Elemente Einführung Virusaufbau Virusdefinition Replikationszyklus

9 Viruskrankheiten sind lange bekannt. Smallpox Variola - Pocken 1157 v.z.: Pharaoh Ramses V stirbt vermutlich an Pockenerkrankung 710: Krankheit erreicht Europa 1520: Einführung der Pocken nach Amerika (Hernando Cortez), innerhalb von 2 Jahren sterben ca. 3,5 Millionen Azteken 18. Jahrhundert: Seuchenzüge in europäischen Großstädten, fünf herrschende Monarchen sterben an Pockenvirusinfektionen

10 Geschichte der Virusforschung Im 19. Jahrhundert wurden alle infektiösen Agenzien als Viren betrachtet, bis Robert Koch Kulturtechniken entwickelt hatte, die die Isolierung und Vermehrung von Bakterien ermöglichte. Spätes 19. Jahrhundert : Bakterien wurden gereinigt und als krankheitserregende Agenzien erkannt. Sie wurden von filtrierbaren Agenzien getrennt, die spezielle, Bakterien zurückhaltende Filter passieren konnten. Die ersten beschriebenen Viren: Maul- und Klauenseuchevirus (Picornavirus), 1898 Gelbfiebervirus (Flavivirus), 1900 Rous sarcoma virus (Onkogenes Retrovirus), 1906

11 Virusbestandteile und deren Nomenklatur

12 Replikationszyklus eines Virus Adsorption (Attachment) Penetration Uncoating Replikation Virale Genom-Replikation Virale mrna und Proteinsynthese Reifung und Zusammenbau (Assembly) Virusfreisetzung (Release)

13 1. Virusdefinition und subvirale Elemente Ein Virus ist eine schlechte Nachricht, die von Protein umgeben ist. (Peter Medawar [ ], Nobelpreisträger) C H N O P 7501 S 2340 Ist ein Virus lebendig?

14 1. Virusdefinition und subvirale Elemente Viren: infektiöse, autonom replizierende Einheiten bestehend aus Protein und Nukleinsäure intrazelluläre Parasiten (kein eigener Stoffwechsel, Umsteuerung zellulärer Prozesse) sehr klein (passieren Bakterien-dichte Filter) (Das) Virus: ein mindestens aus Proteinen und Nukleinsäure zusammengesetztes Partikel, das in der Lage ist, in eine Wirtszelle einzudringen und unter Schädigung dieser Zelle die Produktion von Nachkommenviren auszulösen. Modrow, Falke, Truyen (2003). Molekulare Virologie; Hof, Dörries (2005). Med. Mikrobiologie

15 1. Virusdefinition und subvirale Elemente Virus (dynamisch): ein mindestens aus Proteinen und Nukleinsäure zusammengesetztes Partikel, das in der Lage ist, in eine Wirtszelle einzudringen und unter Schädigung dieser Zelle die Produktion von Nachkommenviren auszulösen. Virion (statisch): ausschließlich das extrazelluläre, physikalisch-chemisch definierte und komplette Partikel; die biologischen Eigenschaften bleiben unberücksichtigt. Hof, Dörries (2005). Med. Mikrobiologie

16 1. Virusdefinition und subvirale Elemente Virusoide: Kleine RNA- oder DNA-Moleküle, die ein bis zwei Proteine kodieren Replikation und Verbreitung von anderem Virus ( Helfer ) abhängig Beispiele: Hepatitis Delta-Virus (HDV) bei Pflanzen verschiedene Virusoide Viroide: Pflanzenpathogene, ringförmige RNA- Moleküle von Nukleotiden Länge

17 1. Virusdefinition und subvirale Elemente Prionen: (Proteinaceous infectious particles) Infektiöse fehlgefaltete Formen eines zellulären Proteins Prionerkrankungen: (Transmissible spongioforme Enzephalopathien, TSE) Mensch: Kuru, Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung (CJD, vcjd), Gerstmann-Sträußler-Scheinker-Syndrom Schaf, Ziege: Scrapie ( Traberkrankheit ) Rind: BSE Weitere Erkrankungen bei Nerz, Katze, Elch, Hirsch

18 2. Klassifizierung von Viren nach Krankheitsbildern Hepatitisviren Erreger von hämorrhagischen Fiebern Erreger von respiratorischen Erkrankungen Erreger von exanthematischen Kinderkrankheiten Erreger von Durchfallerkrankungen Tumorviren gemäß der Epidemiologie Zoonoseerreger emerging und re-emerging Viren nach infiziertem Wirt Bakterien, Pflanzen, Tiere und Mensch

19 Klassifizierung Taxonomie Einteilung von Viren aufgrund struktureller, epidemiologischer oder pathogenetischer Merkmale Versuch, die Vielfalt viraler und subviraler Entitäten systematisch und einheitlich zu ordnen International verbindliche Benennung von Viren Virusspezies Virusgattungen Virusfamilien Virusordnungen Taxonomie wird durch International Commitee on Taxonomy of Viruses (ICTV) festgelegt.

20 Hepatotrope Virusinfektionen Hepatitisviren Hepatitis A B C D E Familie Picornaviridae Hepadnaviridae Flaviviridae (Hepatitis Delta- Hepeviridae Agens, Virusoid) Hülle nein (?) ja ja (HBsAg) nein (?) Kapsid kubisch kubisch kubisch kubisch Genom +ssrna partiell dsdna +ssrna -ssrna +ssrna Übertragung fäkal-oral (kontaminiertes Wasser, Muscheln) selten parenteral parenteral perinatal sexuell parenteral selten perinatal und sexuell i.v. Drogenkonsum parenteral perinatal und sexuell fäkal-oral kontaminiertes Wasser, nicht ausreichend erhitztes Fleisch Chronifizierung nein ca. 5-8%, ca. 90%bei neonataler Infektion 60-80% Koinfektion 5-10% Superinfektion >90% Carrierstatus nein ja ja ja nein Spätfolgen - Leberzirrhose 25% HCC nach Jahren Leberzirrhose 50% HCC nach Jahren Leberzirrhose 35% HCC nach Jahren - Begleithepatitis Häufig: Epstein-Barr-Virus (Herpesviridae) Selten: verschiedene andere Herpesviren (Cytomegalievirus, Herpes simplex-virus, Varicella zoster-virus) verschiedene Flaviviren (Gelbfiebervirus, Denguevirus) selten

21 Erreger von hämorrhagischen Fiebern -ssrna Bunyavirales Ebolaausbruch, Rep. Congo, 2001 (von A. Iwamoto) +ssrna Dengue Hämorrhagisches Fieber (aus Infectious Diseases, 2nd Ed. )

22 Infektionen des Respirationstraktes Erkältungskrankheiten Rhino- und Echoviren (Picornaviridae) (+)ssrna Coronaviren (Coronaviridae) (+)ssrna Respiratorisches Synzytial-Virus (Paramyxoviridae) (-)ssrna Pneumonie Influenza A- und B-Viren (Orthomyxoviridae) Parainfluenzaviren (Paramyxoviridae) (-)ssrna (-)ssrna Erreger von Durchfallerkrankungen Rotaviren (Reoviridae) Norovirus (Caliciviridae) dsrna (+)ssrna

23 Erreger von exanthematischen Kinderkrankheiten Erkrankung Röteln Masern Windpocken Ringelröteln Exanthema subitum (Drei- Tage-Fieber) Erreger Rötelnvirus Masernvirus Varicella zoster-virus Parvovirus B 19 Humanes Herpesvirus 6 Familie Togaviridae Paramyxoviridae Herpesviridae Parvoviridae Herpesviridae Gattung/Unterfamilie Rubivirus Morbillivirus -Herpesvirinae Erythrovirus -Herpesvirinae Genom (+)ssrna (-)ssrna dsdna ssdna dsdna Übertragungsmodus Kontagiosität aerogen diaplazentar Schmierinfektion 7-10 Tage vor bis 15 Tage nach Beginn des Exanthems aerogen ca. 9 Tage vor bis 5 Tage nach Beginn des Exanthems Manifestationsindex ca. 1 aerogen Schmierinfektion diaplazentar 3-4 Tage vor Beginn bis zur Verkrustung der letzten Läsion aerogen Blut- und Blutprodukte ca. 1 Woche nach Übertragung, vor Beginn des Exanthems über Speichel Inkubationszeit 2-3 Wochen 1-2 Wochen 2 Wochen 2-3 Wochen??

24 Tumorviren Humane Tumorviren: Virusfamilie Genom Vertreter Tumor Papillomaviridae dsdna Humane Papillomviren Typ 16, 18 u.a. Zervixkarzinom und andere Hauttumoren Hepadnaviridae partiell dsdna Hepatitis B-Virus Hepatozelluläres Karzinom Herpesviridae dsdna Epstein-Barr-Virus Burkitt-Lymphom, Nasopharyngealkarzinom u.a. Tumoren Humanes Herpesvirus Typ 8 Kaposi-Sarkom Retroviridae (+)ssrna/dna HTLV-1/2 Adulte T-Zell-Lekämie Flaviviridae (+)ssrna Hepatitis C-Virus Hepatozelluläres Karzinom Weitere transformierende Viren: - Retroviren (akut transformierende Retroviren Transduktion) - Polyomaviren (z.b. SV-40 und andere Säuger-Polyomaviren, Merkelzell-Polyomavirus) - Adenoviren - Interaktion mit Tumorsuppressorproteinen (Regulation der Zellteilung) - Transaktivierende Genprodukte - Aktivierung von Protoonkogenen

25 Zoonoseerreger natürliche Übertragung zwischen Tieren und Mensch, Anthropozoonosen nach der Übertragungsrichtung: Zooanthroponosen (Mensch Tier) (Tier Mensch) Erreger-Reservoire in der Natur: Wildtiere (Nagetiere, Fledermäuse, Vögel) Haustiere (z.b. Wiederkäuer, Schweine, Pferde) Heimtiere (z.b. Ratten) Arthropoden (Zecken, Insekten)

26 Zoonoseerreger Virale Erreger, die über Nagetiere oder Fledermäuse weiterverbreitet werden: Bunyavirales/ Hantaviridae: Hantaan, Seoul, Puumula, Dobrava-Belgrad, Tula, Sin Nombre, Andes Arenaviridae: LCM-Lassa complex: Lassa, LCM (Altwelt-Viren) Tacaribe virus complex (Neuwelt-Viren), Machupo, Junin Hemorhagic Fevers (Venezuelian, Argentine, Bolivian), Paramyxoviridae Genus Henipavirus Hendra, Nipah Rhabdoviridae: Genus Lyssavirus Filoviridae: European Bat, Australian Bat, Lagos Bat, Duvenhage Ebola, Marburg Coronaviridae: SARS-CoV

27 Zoonoseerreger - Arboviren Arbovirale Zoonose-Erreger (I): Flaviviridae: Genus Flavivirus TBE-Komplex: TBEV, Omsk Hemorrhagic Fever Louping Ill Japan E.-Komplex: Japan E, St. Louis Encephalitis, West Nile, Kunjin, Murray-Valley, St. Louis-Enzaphalitis, Usutu Gelbfieber-Komplex: Yellow-Fever, Wesselsbron Dengue-Komplex: Dengue 1-4 Togaviridae: Genus Alphavirus: Reoviridae: Genus Coltivirus: Amerikanische Pferdeenzephalitiden (EEE, WEE, VEE) Chikungunya Semliki Forest, Sindbis-Gruppe Colorado Zeckenfieber, Kemerovo-Virus, Lipovnik, Quaranfil, Bhanja, Eyach, Erve, Tribec

28 Zoonoseerreger - Arboviren Arbovirale Zoonose-Erreger (II): Bunyavirales: Peribunyaviridae: Nairoviridae: Phenuiviridae: LaCrosse, Tahyna, Oropouche, Akabane, Schmallenberg CCHF, Dugbe und Nairobi sheep Toskana, Naples, Sicily, Uukuniemi Rift Valley fever Orthomyxoviridae: Thogoto, Dhori Lebensmittel-übertragene Zoonose-Erreger: Hepatitis E-Virus

29 Emerging und re-emerging Viren Orthomyxoviren (Influenzaviren) Retroviren (HIV) Erreger von viralen Hämorrhagischen Fiebern Arboviren: Flaviviridae (Dengue-, Gelbfieber-, Westnilvirus) non-arboviren: Filoviridae (Marburg- und Ebolavirus), Arenaviridae (Lassavirus), Hantaviridae (Puumalavirus) SARS- und MERS-Coronavirus Hendra- und Nipahvirus Zikavirus

30 Emerging und re-emerging Viren Influenzapandemien 1918 H1N1 (20-40 Millionen Tote) 1957 H2N2 (4 Millionen Tote) 1968 H3N2 (2 Millionen Tote) 1977 H1N1 (?) Gegenwart H1N1/H3N2

31 Klassifizierung von Viren nach infiziertem Wirt: Bakterien, Pflanzen, Pilze, Tiere, Mensch

32 Bakterienviren Bakteriophagen

33 Viren bei Algen Pilzen Hefen Protozoen

34 Pflanzenviren

35 Invertebratenviren

36 Vertebratenviren

37 3. Virustaxonomie International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) Klassifizierungsmerkmale Baltimore-Schema Übersicht über Virusfamilien Nomenklatur Artbegriff in der Virologie Weitere Begriffe

38 International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) 1966 erste Versuche zur Entwicklung einer Virustaxonomie Bericht des ICTV 1991 Einführung der Spezies in die virologische Taxonomie 2000 ca Virusarten 2005 ca Virusarten ICTV website:

39 International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) 1966 erste Versuche zur Entwicklung einer Virustaxonomie Bericht des ICTV 1991 Einführung der Spezies in die virologische Taxonomie 2000 ca Virusarten 2005 ca Virusarten ICTV website g/virustaxonomy.asp?b hcp=1

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41 ICTV website:

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43 Klassifizierungsmerkmale Taxonomie (1) Nukleinsäuretyp des Genoms: DNA oder RNA, einzel- oder doppelsträngig, segmentiert oder nicht-segmentiert, linear oder zirkulär, Polarität des viralen Genoms (Negativ- oder Positivstrang) (2) Größe und Morphologie: Symmetrie des Nukleinsäure- Kapsid-Komplexes, Vorhandensein oder Fehlen einer Virushülle (3) Replikationsstrategie (4) Anordnung der Gene (5) Vorhandensein spezifischer Enzyme (reverse Transkriptase) (6) Immunologische Eigenschaften (Serologie) Spiegeln diese Eigenschaften eine phylogenetische Verwandtschaft der Viren des jeweiligen Taxons wider?

44 Virus-Klassifizierung anhand des Genoms (+)ssrna-viren: das Virusgenom hat mrna-polarität, ist infektiös (-)ssrna-viren: das Virusgenom ist komplementär zur viralen mrna, ist nicht infektiös, muss durch RNA-Polymerase im Virion erst in virale mrna umgeschrieben werden

45 Virus-Klassifizierung anhand der Morphologie - Größe/Aussehen des Virions - Lipidhülle ja/nein mit Hülle: Herpesviren, Hepatitis B-Virus, Influenzaviren ohne Hülle: Parvoviren, Adenoviren, Picornaviren - Kapsidsymmetrie ikosaedrisch: Picornaviren, Papillomviren helikal: Influenzaviren, Paramyxoviren komplex: Pockenviren

46 Klassifizierung von Viren nach der Art der mrna- Synthese (Baltimore-Klassifizierung) Gruppe I: dsdna. Normale Genomform allen Lebens (Papilloma-, Adeno-, Herpes-, Poxviridae) Gruppe II: ssdna. Enthält DNA sowohl positiver als auch negativer Polarität (Parvoviridae) Gruppe III: dsrna (Reoviridae) Gruppe IV: (+)ssrna. Sie wirkt direkt als mrna (Picorna-, Toga-, Flavi-, Calici-, Coronaviridae) Gruppe V: (-)ssrna. Sie wirkt als Matrize zur mrna-synthese (Hanta-, Arena-, Rhabdo-, Paramyxo-, Orthomyxo-, Filoviridae) Gruppe VI: (+)ssrna, die in DNA zurückgeschrieben und ins Zellgenom eingebaut wird (Retroviridae)

47 Klassifizierung nach der Genanordnung

48 Virustaxonomie und Phylogenie?

49 Struktur und Klassifizierung von DNA-Viren

50 Struktur und Klassifizierung von RNA-Viren

51 Nomenklatur Allgemein: Beispiele: Ordnung Familie (-virales) (-viridae) Mononegavirales Paramyxoviridae Unterfamilie (-virinae) Paramyxovirinae Genus Spezies (-virus) Morbillivirus Measles virus (Masernvirus)

52 Artbegriff in der Virologie Klassischer Artbegriff in der Biologie: Gruppe sich miteinander kreuzender natürlicher Populationen, die reproduktiv von anderen solchen Gruppen isoliert ist (E. Mayr, 1967) 7. ICTV-Report (2000): a virus species is a polythetic class of viruses that constitute a replicating lineage and occupy a particular ecological niche. Vertreter einer Spezies besitzen mehrere übereinstimmende Eigenschaften ( consensus ), aber nicht eine einzelne Eigenschaft, die diese Spezies von anderen abgrenzt

53 Artbegriff in der Virologie Kriterien zur Definition einer Spezies

54 Weitere Begriffe Typspecies: für einen entsprechenden Genus namengebende Art Isolat/Stamm: oft benutzt zur Bezeichnung verschiedener Wildtypen eines Virus Genotyp/Serotyp: Unterscheidung von Viren auf der Basis des Genoms bzw. der serologischen Reaktivität der viralen Proteine Quasispezies: gleichzeitiges Vorliegen verschiedener Virusvarianten in einem Individuum

55 4. Überblick über einige Virusgruppen Taxonomie und Phylogenie?

56 Artbegriff in der Virologie Kriterien zur Definition einer Spezies: Ordnung Bunyavirales Familie Hantaviridae, Typspezies: Hantaan virus 22 Arten mit 44 Stämmen - unikale ökologische Niche, d.h. in verschiedenen primären Nager-Reservoiren - mindestens 7% Unterschied in der Aminosäuresequenz des kompletten Glykoproteinpräkursors und des kompletten Nukleokapsidproteins - mindestens 4-fache Differenz in Kreuzneutralisationstests - keine natürliche Bildung von Reassortanten mit anderen Arten Genus Orthobunyavirus, Typspezies: Bunyamwera virus 48 Arten mit 163 Stämmen serologische Unterscheidung (Kreuzneutralisation und Kreuz-Hämagglutinations-Hemmtest) Genus Nairovirus, Typspezies: Dugbe virus serologische Unterscheidung 7 Arten mit 34 Stämmen Genus Phlebovirus, Typspezies: Rift Valley fever virus 9 Arten mit 36 Stämmen serologische Unterscheidung (4-facher Unterschied in Kreuzneutralisation) Genus Tospovirus, Typspezies: Tomato spotted wilt virus 8 Arten mit 8 Stämmen Vektorspezifität, Wirtspflanze, serologische Verwandtschaft der Nukleokapsidproteine, weniger als 90% Aminosäuresequenz-Identität der Nukleokapsidproteine

57 Humanpathogene (-)ssrna-viren mit segmentiertem Genom Viren Hantaviridae Arenaviridae Wirte Nagetiere Nagetiere (Insektenfresser, Fledermäuse) Krankheiten versch. Erkrankungen, HFRS, HCPS Hämorrhagische (Nieren- oder Lungenfunktionsstörung) Fieber Hülle + + Durchmesser nm ca. 110 nm Gestalt rund mit Spikes (Gn + Gc) rund mit Spikes (G) RNA-Segmente L ( kb) L (ca. 7.0 kb) M ( kb) S (3.4 kb) S ( kb) Replikation Cytoplasma Cytoplasma

58 Humanpathogene Viren mit kontinuierlichem (-)ssrna-genom: Ordnung Mononegavirales Gemeinsamkeiten Rhabdoviridae Paramyxoviridae Filoviridae (-)ssrna N-Protein ist Hauptkomponente im Nukleokapsid Virale Replikase im Virion Sequentielle Transkription Zumeist nicht überlappende Transkripte Knospung an Zell- / ER-Membran Replikation im Cytoplasma (Bornaviridae) Replikation im Kern mrna Splicing

59 Humanpathogene Viren mit (-)ssrna-genom: Paramyxoviridae Unterfamilie Genus Virusspezies Paramyxovirinae Respirovirus Parainfluenzavirus Typ 1 und 3 Rubulavirus (Avulavirus) Morbillivirus Henipavirus Mumpsvirus Parainfluenzavirus Typ 2 und 4 (Newcastle Disease Virus) Masernvirus (Hundestaupevirus) (Rinderpestvirus) Hendravirus Nipahvirus Pneumovirinae Pneumovirus Respiratorisches Syncytial-Virus Metapneumovirus Humanes Metapneumovirus

60 Virustaxonomie und Phylogenie?

61 Zusammenfassung I Virusklassifizierung: Einteilung von Viren nach gemeinsamen Eigenschaften Taxonomie: Versuch, die Vielfalt viraler und subviraler Entitäten systematisch und einheitlich zu ordnen Die Virustaxonomie ist eine sich in der Entwicklung befindliche Disziplin, die auf verschiedenen Unterscheidungskriterien beruht. Phylogenetische Verwandtschaftsbeziehungen spiegeln sich nur teilweise wider.

62 Zusammenfassung II Kriterien für die taxonomische Einordnung von Viren (1) Nukleinsäuretyp des Genoms: DNA oder RNA, einzel- oder doppelsträngig, segmentiert oder nicht-segmentiert, linear oder zirkulär, Polarität des viralen Genoms (Negativ- oder Positivstrang) (2) Größe und Morphologie: Symmetrie des Nukleinsäure- Kapsid-Komplexes, Vorhandensein oder Fehlen einer Virushülle (3) Replikationsstrategie (4) Anordnung der Gene (5) Vorhandensein spezifischer Enzyme (reverse Transkriptase) (6) Immunologische Eigenschaften (Neutralisation)

63 DANKSAGUNG Dr. G. Flunker, Greifswald PD Dr. S. Finke, Riems Prof. M.H. Groschup, Riems

64 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!