Viren
1. EINLEITUNG Viren (lateinisch virus: Gift), verschiedene organische Einheiten, die aus genetischem Material bestehen, das von einer Schutzhülle umgeben ist. Der Begriff Virus wurde erstmals in den neunziger Jahren des vorigen Jahrhunderts geprägt, um Krankheitserreger zu bezeichnen, die kleiner als Bakterien sind. Viren sind eine Zwischenform zwischen belebter und unbelebter Materie. Innerhalb lebender Zellen können sie sich sehr zahlreich vermehren und dabei ihren Wirt schädigen. Es sind Hunderte von Viren bekannt, die bei Menschen, Tieren, Pflanzen und Bakterien eine Vielzahl unterschiedlichster Krankheiten hervorrufen (siehe Tierkrankheiten).
Die Existenz von Viren wurde 1892 nachgewiesen, als der russische Wissenschaftler Dmitrij I. Iwanowsky mikroskopisch kleine Teilchen entdeckte, die später Tabakmosaikviren genannt wurden. Der holländische Botaniker Martinus W. Beijerinck wandte 1898 die Bezeichnung Viren auf jene infektiösen Erreger an. Einige Jahre später fand man Viren, die sich innerhalb von Bakterien vermehrten. Diese Art von Viren nennt man Bakteriophagen.
Im Jahr 1935 kristallisierte der amerikanische Biochemiker Wendell Meredith Stanley das Tabakmosaikvirus und wies nach, dass es nur aus genetischem Material, der Ribonucleinsäure (RNA), und einem Proteinmantel besteht. In den vierziger Jahren wurden dank der Entwicklung des Elektronenmikroskops erstmals Viren sichtbar. Diesem Fortschritt folgte die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitszentrifugen, welche die Filtrierung und Konzentrierung von Viren ermöglichten. Bei der Untersuchung von Tierviren gelang in den fünfziger Jahren ein entscheidender Durchbruch mit der Entwicklung von Methoden zur Zellkultivierung, mit deren Hilfe die Vermehrung von Viren im Reagenzglas möglich wurde. In der Folge wurden zahlreiche Viren entdeckt und die meisten in den sechziger und siebziger Jahren analysiert sowie deren physikalische und chemische Eigenschaften bestimmt.
2.
EIGENSCHAFTEN Viren sind submikroskopische intrazelluläre (in Zellen vorkommende) Parasiten, die entweder RNA oder Desoxyribonucleinsäure (DNA) aufweisen (nie beides) und über eine Schutzhülle verfügen, die aus Proteinen allein besteht oder sich aus Proteinen und Lipid- oder Kohlenhydratbestandteilen zusammensetzt. Die Nucleinsäure liegt in der Regel als einzelnes ein- oder doppelsträngiges Molekül vor. Einige Viren verfügen jedoch über Nucleinsäure, die in zwei oder mehrere Segmente aufgeteilt ist. Die Proteinhülle wird als Capsid bezeichnet, die Proteinbausteine des Capsids nennt man Capsomeren. Zusammen bilden sie das Nucleocapsid. Andere Viren verfügen zudem über eine weitere Hülle, die sich im Allgemeinen bildet, wenn das Nucleocapsid als Knospe aus der Wirtszelle austritt.
Das gesamte Viruspartikel wird als Virion bezeichnet. Viren sind obligate intrazelluläre Parasiten, d. h., sie sind an bestimmte Lebensbedingungen gebunden: Sie können sich nur innerhalb von Zellen vermehren, die aktiv Stoffwechsel betreiben. Außerhalb lebender Zellen existieren Viren als inaktive Makromoleküle. Viren kommen in den unterschiedlichsten Formen und Größen vor.
Nach ihrer Struktur werden drei Grundformen unterschieden: isometrische, stäbchenförmige oder längliche und kaulquappenähnliche Viren mit Kopf und Schwanz (z. B. manche Bakteriophagen). Die kleinsten Viren sind Ikosahedronen (20-seitige Vielecke oder Polygone) mit einer Seitenlänge von etwa 18 bis 20 Nanometern (millionstel Millimetern). Die längsten Viren sind stäbchenförmig. Einige stäbchenförmige Viren sind mehrere Mikrometer lang, aber in der Regel weniger als 100 Nanometer breit.
Die Breite der größten Viren liegt damit unterhalb des Auflösungsbereichs eines Lichtmikroskops, mit dem Bakterien und andere größere Mikroorganismen untersucht werden können. Viele Viren mit spiralförmiger Innenstruktur weisen eine zusätzliche Außenhülle (auch Envelope genannt) auf, die sich aus Lipoproteinen und/oder Glykoproteinen zusammensetzt. Ihr Durchmesser reicht von 60 bis 300 Nanometer. Komplexere Viren, beispielsweise einige Bakteriophagen, verfügen über einen Kopf und einen schlauchartigen Schwanz, mit dem sie sich an Wirtsbakterien heften. Pockenviren sind quaderförmig, und ihre Protein-Elementarteilchen haben einen komplexen Aufbau. Komplexe und Pockenviren bilden jedoch die Ausnahme.
Die meisten Viren sind von einfacher Gestalt.
3. VERMEHRUNG Viren verfügen nicht über die nötigen Enzyme und Stoffwechselprodukte für eine eigenständige Vermehrung. Sie müssen sich dazu der Wirtszellen bedienen, die sie infizieren. Der Vorgang der Virusvermehrung oder -replikation teilt sich daher in die Synthese (Bildung) der einzelnen Virusbestandteile und deren Zusammensetzung zu neuen Virusteilchen. Die Replikation beginnt mit dem Eindringen des Virus in die Wirtszelle.
Der Virusmantel wird von Zellenzymen aufgelöst, so dass die Virus-RNA oder -DNA mit den Zellribosomen in Kontakt kommt. Dort steuert die Virus-RNA oder -DNA die Proteinsynthese, wie sie durch die Virusnucleinsäure festgelegt ist. Die Nucleinsäure verdoppelt sich, und die Proteinbausteine des Virusmantels werden neu gebildet. Danach werden diese beiden Bestandteile zu einem neuen Virus vereinigt. Aus einem infizierenden Virus können auf diese Weise Tausende von Nachkommen entstehen. Einige Viren werden durch Zerstörung der infizierten Wirtszelle freigesetzt.
Andere knospen aus der Zellmembran aus (Virusknospung oder Budding), ohne die Zelle zu töten. In einigen Fällen verläuft die Infektion latent, d. h., die Viren vermehren sich innerhalb der Zelle, ohne sie offensichtlich zu schädigen. RNA-Viren besitzen ein einzigartiges Vermehrungssystem, denn ihre RNA kann sich unabhängig von einer DNA verdoppeln. In einigen Fällen kann die RNA als Boten-RNA (m-RNA) fungieren (siehe Genetik) und sich indirekt über das Ribosomen- und Stoffwechselsystem der Wirtzelle verdoppeln.
Andere RNA-Viren besitzen in ihrem Proteinmantel RNA-abhängige Enzyme, welche die Synthese der Virus-RNA steuern. Einige RNA-Viren, die so genannten Retroviren, bilden ein Enzym, mit dessen Hilfe eine DNA-Kopie von der Viren-RNA hergestellt wird. Diese DNA stellt dann das neue Genmaterial des Virus dar.
Bakterienviren und Tierviren unterscheiden sich in der Wechselwirkung mit der Zelloberfläche bei der Infektion. T-Phagen (doppelsträngige Bakteriophagen), die das Bakterium Escherichia coli befallen, setzen sich erst auf der Zelloberfläche fest und schleusen dann ihre DNA direkt in das Bakterium ein. Das Virus wird also nicht in das Zellinnere aufgenommen und dessen Mantel nicht aufgelöst.
Im Wesentlichen laufen aber dieselben, bereits beschriebenen Vorgänge der Virusreplikation ab, nachdem die Nucleinsäure in die Zelle gelangt ist.
4. VIREN IN DER MEDIZIN
Die Bekämpfung viraler Infektionskrankheiten stellt eine große Herausforderung für die medizinische Wissenschaft dar. Viren verursachen unterschiedlichste Krankheiten, die schwerwiegende Auswirkungen für die Menschheit haben.
Zu den Virenerkrankungen zählt z. B.
die Erkältung, von der jährlich Millionen von Menschen betroffen sind. Andere virale Krankheiten enden häufig tödlich. Dazu gehören beispielsweise Tollwut, hämorrhagisches Fieber, Enzephalitis, Poliomyelitis und Gelbfieber. Die meisten Viren verursachen jedoch Erkrankungen, die in der Regel nur akute Beschwerden hervorrufen, es sei denn, dass ernste Komplikationen durch die Virus- oder eine zusätzliche bakterielle Infektion eintreten. Solche Viruserkrankungen sind etwa Grippe, Masern, Mumps, Fieberbläschen (Herpes simplex), Windpocken, Gürtelrose (Herpes zoster), Atemwegserkrankungen, akute Diarrhöe (Durchfall), Warzen und Hepatitis. Wieder andere Viren wie das Rötel- und das Zytomegalievirus können beim Ungeborenen schwere Fehlbildungen hervorrufen oder sogar tödlich wirken.
AIDS wird durch ein Retrovirus ausgelöst. Nur zwei Retroviren werden bisher eindeutig für menschliche Krebserkrankungen (siehe HTLV) verantwortlich gemacht, einige Papilloma-Viren stehen jedoch im Verdacht, krebsauslösend zu sein. Es mehren sich auch die Anzeichen dafür, dass andere Viren bei einigen Krebsarten sowie chronischen Erkrankungen wie multipler Sklerose und anderen Degenerationskrankheiten eine wesentliche Rolle spielen. Andererseits gibt es Viren, die Tumorzellen angreifen und vernichten; darüber wurde 1998 in der Zeitschrift Science berichtet. Dies funktioniert jedoch offenbar nur dann, wenn die Tumorzellen ein bestimmtes Krebsgen (Onkogen) aufweisen. Auch heute noch werden Viren entdeckt, die schwere Erkrankungen beim Menschen verursachen.
Die meisten lassen sich im Labor isolieren und bestimmen. Dafür werden jedoch in der Regel einige Tage benötigt. Eines der jüngst entdeckten Viren ist das Rotavirus, das bei Säuglingen und Kleinkindern Gastroenteritis hervorruft (Schleimhautentzündung des Magens und Dünndarmes).
5. VERBREITUNG Neue Krankheitsfälle entstehen, wenn Viren von Mensch zu Mensch übertragen wurden. Viele Viren, z.
B. die Erreger von Grippe oder Masern, werden durch Tröpfcheninfektion übertragen, d. h. durch Versprühen erregerhaltigen Speichels beim Sprechen, Husten oder Niesen. Andere Viren, etwa Erreger der Diarrhöe, werden auf fäkal-oralem Weg übertragen. Wieder andere, z.
B. der Gelbfiebererreger und die so genannten Arboviren, werden durch Insektenstiche verbreitet. Viruserkrankungen sind endemisch (kommen in einer bestimmten Gegend bei anfälligen Personen regelmäßig vor) oder epidemisch, d. h., sie treten in großen Wellen auf und befallen dann Tausende von Menschen. Ein Beispiel für eine epidemische Viruserkrankung ist das alljährliche weltweite Vorkommen von Grippeerkrankungen.
1968 starben durch die so genannte Hongkong-Grippe etwa 700 000 Menschen. Ende 1997 infizierten sich in Hongkong Menschen mit der so genannten Vogelgrippe. Insgesamt erkrankten 16 Personen an dem Virus H5N1 Typ A, vier Menschen starben.
6. BEHANDLUNG Derzeit gibt es für Virusinfektionen keine völlig zufrieden stellenden Behandlungsmöglichkeiten, da die meisten Arzneimittel, die Viren zerstören, auch die Zellen schädigen. Das Medikament Alpha-Adamantanamin wird in einigen Ländern verbreitet zur Behandlung von Atemwegsinfektionen eingesetzt, die durch Grippeviren vom Typ A hervorgerufen werden.
Isatin-Beta-Thiosemicarbazon ist gegen Pocken wirksam. Einige Analogstoffe zu Vorstufen der Nucleinsäure scheinen bei schweren Herpesinfektionen hilfreich zu sein. Ein viel versprechendes antivirales Mittel, Interferon, wird in der Zelle selbst gebildet. Dieses nichttoxische (ungiftige) Protein, das in einigen virusinfizierten Tier- und Menschenzellen produziert wird, kann andere Zellen vor einer solchen Virusinfektion schützen. Derzeit wird der Einsatz von Interferon zur Behandlung von Krebserkrankungen intensiv untersucht. Bis vor kurzem war die Erforschung der Interferonanwendung durch die begrenzte Verfügbarkeit reinen Interferons behindert.
Dank der neuen Technik des molekularen Klonens von genetischem Material (siehe Gentechnologie) ist es heute jedoch möglich, dieses Protein in größeren Mengen herzustellen. Sein Nutzen als antivirales Mittel könnte nun innerhalb einiger Jahre ermittelt werden. Die einzig wirksame Möglichkeit, einer Virusinfektion vorzubeugen, ist die Schutzimpfung. Beispielsweise konnte durch die weltweite Einführung der Pockenschutzimpfung diese Krankheit in den siebziger Jahren ausgerottet werden. Es wurden zahlreiche antivirale Impfstoffe für Mensch und Tier entwickelt. Für den Menschen gibt es z.
B. Impfungen gegen Masern, Röteln, Poliomyelitis und Grippe. Die Immunisierung mit einem Virusimpfstoff regt das körpereigene Immunsystem zur Bildung bestimmter Proteine an, so genannter Antikörper. Diese schützen vor der Infektion mit dem betreffenden Virus. Die zur Immunisierung verwendeten Viren werden zuvor so behandelt, dass sie selbst nicht mehr krankheitserregend wirken.
7.
PFLANZENINFEKTIONEN Viren sind für eine Vielzahl von Pflanzenkrankheiten verantwortlich und führen häufig zu schweren Ernteschäden. Verbreitete Viruserkrankungen (Virosen) bei Pflanzen sind die Vergilbungskrankheit der Rübe, die Blattrollkrankheit der Kartoffel oder die Infektion mit dem Tabakmosaikvirus. Pflanzen haben feste Zellwände, die für Pflanzenviren undurchdringbar sind. Daher werden Pflanzenviren hauptsächlich durch Pflanzen fressende Tiere verbreitet, beispielsweise durch Insekten. Bei der Nahrungsaufnahme der Insekten an infizierten Pflanzen bleiben Viren an ihren Mundwerkzeugen haften. Auf diese Weise können die Insekten bei der nächsten Nahrungsaufnahme diese Viren gesunden Pflanzen einimpfen.
Auch Nematoden (Fadenwürmer) können Viren übertragen, wenn sie die Wurzeln gesunder Pflanzen befallen.In infizierten Pflanzenzellen können sich enorme Mengen von Pflanzenviren ansammeln. Beispielsweise kann das Tabakmosaikvirus zehn Prozent des Trockengewichts einer infizierten Pflanze ausmachen. Die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Pflanzenviren und Pflanzenzellen sind begrenzt, da sich Pflanzen meist nicht direkt infizieren lassen, sondern nur mittelbar, beispielsweise über Insekten. Zellkulturen, die im Labor mit Pflanzenviren infiziert werden können, sind nicht allgemein verfügbar.
8.
DIE ROLLE DER FORSCHUNG Die Untersuchung von Viren und ihrer Wechselwirkung mit Wirtszellen gab Anregung zu zahlreichen biologischen Grundlagenforschungen auf Molekularebene. Beispielsweise wurde die Boten-RNA, die innerhalb der Zelle den genetischen Code der DNA zu den Orten der Proteinsynthese transportiert, bei der Erforschung der Replikation von Bakteriophagen in Bakterienzellen entdeckt. Die Untersuchung von Bakteriophagen war auch für die Beschreibung der biochemischen Faktoren von Bedeutung, welche die Umsetzung von genetischen Informationen einleiten und beenden. Die Kenntnis der Virusreplikation ist eine wesentliche Grundlage für das Verständnis biochemischer Vorgänge in höher entwickelten Organismen. Viren eignen sich gut als Modellsysteme bei der Erforschung von Steuerungsvorgängen der Erbinformation, da sie im Wesentlichen kleine genetische Informationseinheiten darstellen, die sich vom Erbmaterial der Wirtszelle unterscheiden. Dadurch ist es der Wissenschaft möglich, kleinere, einfachere Replikationssysteme zu untersuchen, die aber auf denselben Prinzipien wie bei der Wirtszelle basieren.
Ein Großteil der Virenforschung zielt auf die Entschlüsselung des Vermehrungsmechanismus ab, um Möglichkeiten zu finden, virales Wachstum einzudämmen und damit Viruserkankungen zu bekämpfen. Die Erforschung von Viruskrankheiten hat auch wesentlich zum Verständnis der körpereigenen Immunreaktion auf infektiöse Erreger beigetragen. Antikörper im Blutserum und in den Absonderungen der Schleimhäute, die zur Beseitigung von Fremdkörpern wie Viren aus dem Organismus beitragen, wurden durch die Untersuchung ihrer Reaktionen auf Virusinfektionen gründlicher beschrieben. Das Interesse der Wissenschaft konzentriert sich nunmehr stark auf die Isolierung bestimmter viraler Gene. Diese Gene können durch molekulares Klonen zur Herstellung großer Mengen bestimmter viraler Proteine dienen, die wiederum als Impfstoffe Verwendung finden.
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