Virologie

Professor Dr. med. U.G. Liebert

Institut für VirologieJohannisallee 30

Tel. 97 14 300E-mail: liebert@medizin.uni-leipzig.de

Virale Erkrankungen

Neue Virusinfektionen„Emerging Virus Infections“

1973 Rotavirus Durchfallerkrankungen bei Kindern1980/82 HTLV I, HTLV II Lymphome/Leukämie1983 HIV AIDS1988 HEV Hepatitis E1988 HHV6 Dreitagefieber (Exanthema subitum)1989 HCV Hepatitis C, Leberzellkarzinom1993 Sin-Nombre-Virus Hantavirus Pulmonary Syndrome1996 Borna-Virus Psychiatrische Erkrankungen1999 West-Nil-Virus Myokarditis, Enzephalitis2003 SARS-CoV Atemwegserkrankung1997/2005 H5N1 & H7 IVA „Vogelgrippe“ - Virus-Grippe2009 H1N1/09 SOIV „Schweinegrippe“

Erreger von Infektionskrankheiten

ParasitenPilzeBakterienViren

Epidemiologie - DurchseuchungÜbertragungswege - Kontagiosität Inkubationszeit - AusbreitungPathogenität - VirulenzImmunsystem - Rekonvaleszenz

Größe von Infektionserregern

Meersalz

Viren

1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 100µm 1mm 10mm

Bakterien

Mehl

Sporen

Pollen

Flugasche

Moleküle

Durchmesser menschliches Haar 100 µµµµm

Unterschiede zwischen Infektionserregern

Eigenschaft Bakterien Viren

Intrazelluläre möglich ja Vermehrung

Nukleinsäure DNA & RNA DNA oder RNA

Struktur Zellen nicht zellulär

Vermehrung Teilung Assembly

Energiegewinnung ja nein

Proteinsynthese ja nein

Antibiotika suszeptibel ja nein

Der Virusbegriff

Virus, lat. Gift (ein “infektiöses” Agens)

Toxin, gr. Gift (von Organismen ausgeschieden)

Martinus Willem Beijerinck:

Der Erreger der Mosaikkrankheit bei Tabakpflanzen ist ein Doppelwesen -in Gegenwart von Wirtszellen verhält es sich wie eine konventionelle Mikrobe, in zellfreiem Nährmedium wie ein Gift (titrierbar!).

Eigenschaften von Viren

Viren sind obligate Zellparasiten

• Keine Virusvermehrung außerhalb von lebenden Zellen

• keine Organellen

Viren sind filtrierbare Partikel (Größe zwischen 25 und 2 00 nm)

Viren folgen einem einfachen Bauprinzip� Nukleinsäure (DNA oder RNA)� Protein� Lipid

Sonderfälle: nur infektiöse RNA → Viroidnur infektiöses Protein → Prion

Eigenschaften von Viren

• virales Genom nur ein Nukleinsäuretyp (DNA oder RNA)

• Kapsid und evtl. Lipidhülle

• Virusreplikation abhängig von Wirtszelle

• Viren nutzen zur Energiegewinnung Enzyme und den proteinsynthetisierenden Apparat der Wirtszelle

• Umprogrammierung des Wirtsstoffwechsels zur bevorzugten Synthese viraler Proteine

Definition: Viren sind ultramikroskopische, obligate Zellparasiten

Definitionen

Unkonventionelle „Viren“

Viroide (infektiöse zirkuläre RNA, pflanzenpathogen)Prionen (proteinaceous infectious agents; TSE-Erreger)Satellitenviren (z.B. Delta-Agens, benötigt Helfervirus;

zirkuläre Einzelstrang-RNA)

Virion vollständiges (komplettes und reifes) Viruspartikel Es besteht immer aus dem Kapsid und der Nukleinsäure (virales Genom). Darüber hinaus kann es von einer Hülle (Envelope) umgeben sein.

Aufbau von Viren

Lipidhülle

Hüllproteine

Kapsid

Nukleinsäure

Kapsid Proteinmantel, der direkt das virale Genom umgibt (coat, shell)

Kapsomer Untereinheiten des Kapsids, oligomere Proteine

Nukleokapsid Virales Genom + Kapsid, Substruktur funktionelle Einheit

Hülle Lipid-Doppelmembran, assoziiert mit Glykoproteinen (envelope)

Virion Viruspartikel

Virus Gesamtheit aller Viruspartikel

Virusstruktur

Kapsidformen

kubisch(ikosaedrisch)

(Herpesviren,Picornaviren,Adenoviren)

helikal(Influenzaviren,Paramyxoviren)

komplex(Pocken, Reoviren, Lentiviren)

Virion MorphologiePhysikochemische u. physikalische Eigenschaften

Genomorganisation und Zahl und Position der ORFs, Replikationsstrategie Charakteristiken von Transkription u.

Translation, posttranslationale Prozessierung, Ort der Kapsid- und Vironenbildung, Art der Virionfreisetzung

Antigene Eigenschaften Serotypen

Biologische Eigenschaften natürliche Wirte, Transmissionswege, Vektorbeziehungen, Geographische Verteilung, Pathogenität, Gewebetropismus, (Histo-)Pathologie

Klassifikation von Viren

seit 1966 International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV)3 Ordnungen, 73 Familien, 9 Unterfamilien, 287 Gattungen, mehr als 30.000 Viren (Serotypen und Varianten)

Nukleinsäuretyp

Grad der Sequenzhomologie

Art des Kapsids, Vorhandensein einer Hülle

Virusfamilie Suffix „-viridae“Subfamilie Suffix „-virinae“Virusgenus und Spezies Suffix „-virus“Virusstamm

Klassifikation von Viren

Aktuelle Definition:

Eine Virus-Spezies ist definiert als eine polythetische Klasse von Viren, die zueinander in einer gemeinsamen Entwicklungslinie stehen und eine besondere ökologische Nische besetzen (van Regenmortal, 1990).

Klassifikation von Viren

• Genom: DNA: ds, linear oder zirkulär ss

RNA: ds, ss, linear, segmentiert +Strang-Orientierung (mRNA) -Strang-Orientierung

• Kapsid: Proteinmantel aus Kapsomeren (Polypeptiden) Nukleinsäure + Kapsid = NukleokapsidSymmetrie: ikosaedrisch - helikal - komplex

Aufbau von Viren

Symmetrie kubisch kubisch kubisch kubisch kubisch komplex

Aufbau nackt nackt nackt umhüllt umhüllt komplex

Kapsidbildung im Kern Kern Kern Zytoplasma Kern Zytoplasma

Bildung der Hülle - - - Zytoplasma Kern Zytoplasma

�Ätherresistenz nein nein nein ja ja nein

Anzahl Kapsomere 32 72 252 - 162 -

Durchmesser (nm) 18-26 45-55 70-90 40-50 150-200 oval 200x350

Genomgröße (kb) 4-6 5-8 36-38 3 125-240 130-250

Virusfamilie Parvo- Papillom- Adeno- Hepadna- Herpes- Pox-virus virus virus virus virus virus

Familien humanpathogener DNA-Viren

Stadien der Virusvermehrung

• Attachment• Penetration• Uncoating• Replikation• Transkription/Translation• Assembly• Release & Maturation

Replikation nackter und umhüllter Viren

Rezeptorvermitteltes Attachment

Zellmembran-Rezeptoren für Viren

Virus

InfluenzavirenHIVEpstein-Barr-Virus Rhinovirus MasernvirusLyssavirus (Tollwut)Vaccinia-VirusReovirus Typ 3

Rezeptormolekül

Sialinsäure GlykoproteinCD4 und ChemokinrezeptorenC3d-Rezeptor (CD21)ICAM-1CD46, SLAMAcetylcholin-RezeptorRezeptor des Epidermal Growth Factorβ-adrenerger Hormonrezeptor

Penetration und Uncoating

Endosom Lysosom, Proteasen, pH

alternativ: EndozytoseMembrandiffusionFusion

Eklipse (Virusfinsternis):Verlust der Infektiosität

Synthese von Nukleinsäure und Proteinen

Replikation Genexpression Vermehrung des Genoms

� DNA → RNA (Transkription - Translation - Replikation)� (+)Strang RNA-Viren: Genom = mRNA (Translation - Replikation)� (-)Strang RNA-Viren: Transkription - Translation - Replikation

(replikatives Intermediat)� Retroviren: RNA → DNA → RNA

(Reverse Transkription, Integration ins Wirtsgenom -Transkription/Replikation - Tranlsation)

Transkription - virale mRNA

Translation - Proteine

Replikation des viralen GenomsDNA-Viren: im Zellkern (außer Pox-Viren)Polymerase zellulär oder viral kodiert

Adenoviren

HBV

RNA-Viren: meist im Zytoplasma und ausschließlich mit viraler Replikase

Replikation des viralen Genoms

Rotaviren

HIV

Einbau ins Zellgenom

Funktionen viraler Proteine

• regulatorische Proteinez.B. Umschaltung von Replikation zu Transkription

• frühe (immediate early oder early) Proteine • späte Proteine (Strukturproteine)

Replikationsstrategien von DNA-Viren

• z.B. Integration in viralen DNA der Wirtszelle

• Virusreplikation durch zelluläre Transkriptionsfaktoren (HSV)durch eigene Transkriptions-und Translationsfaktoren (Pocken)

• Kaskadenartige Replikation: α, β und γ Gene (immediate early, early, late, Herpesviren)

• Reverse Transkription (Hepatitis B-Virus)

• Helferviren (AAV)

mRNA Struktur und Translation

AAAAAAA-3‘5´

AUG – StartcodonCUA – Stopcodon

Assembly

• Intrazelluläre Synthese von (Poly-) Proteinen• post- oder ko-translationelle Prozessierung in ER und Golgi• Einbau der Proteine in innere und äußere Membran

cap NSP - ORF AAAAAAASP- ORF

Precursor-Proteine

NS1 NS2 C E2 E1

Migration viraler Hüllproteine

Infektiösität der viralen Nukleinsäure

Die gereinigte (genomische) virale Nukleinsäure ist infektiös, wenn sie direkt (d.h. ohne Kapsid) in die Zelle verabreicht wird. Sie initiiert dann einen kompletten Infektionszyklus.

Virale RNA-Genome, die eine Transkriptase enthalten, sind nicht infektiös, da sie keine mRNA-Funktion besitzen.

Viren mit RNA-Genom

Genom- Transkriptase Infektiosität mRNA primäresaufbau der RNA Genprodukt

+ss nein ja ungespliced Polyprotein (1)

+ss nein ja gespliced Einzelproteine (2)

-ss, linear ja nein ungespliced monocistronisch (3)

-ss, segment. ja nein ungespliced monocistronisch (4)

ds, segment. ja nein ungespliced monocistronisch (5)

ambisense ja nein ungespliced monocistronisch (6)

Beispiele: (1) Picorna-, (2) Corona/Retro-, (3) Paramyxo-, (4) Orthomyxo-, (5) Reo-, (6) Arena-Viridae

Morphogenese: Zusammenbau der einzelnen Komponenten zu infektiösen (reifen) Viruspartikeln

• Kapsidprotein bindet Nukleinsäure Nukleokapsid

• Nukleokapsid assoziiert mit viralen Hüllproteinen

• Assembly in Zellkern, Zytoplasma, ER/Golgi-Membranen

Assembly

Freisetzung

• Budding (Knopsung)• Lyse infizierter Zellen

• Apoptose

Zytopathischer Effekt

Auswirkung der Virusvermehrung auf die Wirtszelle (abhängig vom Virustyp)

Zelllyse (Enteroviren)Pyknose (Poliovirus)Zellabkugelung (Herpesviren)Fusion (Syncytienbildung: Masern, HSV, Parainfluenza, HIV)intranukleäre Einschlüsse (Adeno- & Masernvirus)intrazytoplasmatische Einschlüsse (Tollwut, Pocken)ChromosomenbrücheTransformation (EBV, HTLV)

Virusnachweis mittels CPE

Humane Lungenfibroblasten Affen-Nierenzellen

CMV mock infiziert Rötelnvirus mock infiziert

Mechanismen der viralen Zellschädigung

Mechanismus

Zelluläre Proteinsynthese ↓Degradation der zellulären DNAZellmembranveränderungen

Insertion von GlykoproteinenSynzytienbildungZerstörung des ZytoskelettsPermeabilitätsveränderungen

Einschlußkörperzytoplasmatisch (Negrikörperchen)intranukleäre (Eulennaugenzellen -Cowdry Typ A - basophile EK)perinukleär (acidophile EK)

Beispiele

Poliovirus, HSV, TogavirenHerpesviren

Viren mit HülleHerpesviren, HIV, Paramyxovirenunbehüllte Viren, HSVHerpesviren, Togaviren

TollwutvirusZytomegalievirus -Masernvirus (SSPE), HSV - AdenovirenReoviren

The Iceberg Concept of Infection

Zelluläre Reaktion

Lyse/ZelltodZytopathischer Effekt (CPE)EinschlußkörperTransformation

Virusvermehrung ohne erkennbare Schädenoder unvollständige Virusreifung

Exposition ohne Rezeptorbindung oder Penetration

Reaktion des Wirtes

Tod des OrganismusSchwere ErkrankungModerate oder leichte Symptome

Infektion ohne Symptome(asymptomatische oder

latente Infektion)

Exposition ohne Infektion

Formen der Infektion

- Akute InfektionViruselimination; zeitlich begrenzt, lokal → AntikörperbildungVorkommen sowohl apparent als auch inapparent (subklinisch)

- Persistierende Infektionkeine (vollständige) Viruselimination nach apparenter oder inapparenter Primärinfektion

Latente Infektion keine Virusproduktion, lebenslange Infektion, aber gelegentlich Reaktivierung (Rezidiv, Exazerbation)

Chronische Infektion produktiver Replikationszyklus

- Transformierende InfektionImmortalisierung, Tumorentstehung

Weitere Begriffsbestimmungen

Pathogenität Eigenschaft eines Erregers nach Infektion des Wirtes Krankheitssymptome zu verursachen(Grundeigenschaft der Erregerspezies, eine Potenz, die wirken kann, aber nicht muss)

Virulenz Summe aller krankmachenden Eigenschaften innerhalb einer Erregerart, stark variabel, LD50

Attenuierung Virulenzminderung, Abschwächung: Erhalt der Immunogenität und der Fähigkeit zur Vermehrung

Organtropismus typisch für Virusinfektionen

weite Wirtsspezifität, enge Organspezifität:Tollwutenge Wirtsspezifität, weite Organspezifität: Herpes-Simplex-Virus

Infektionsverlauf

Infektion Ansteckung (lat. inficere = hineinbringen),Haften, Eindringen und Vermehrung von Erregern in einem Wirt

MonoinfektionMischinfektion

Superinfektion z.B. Primärinfektion mit Influenzaviren, Sekundärinfektion mit Staphylokokken oder Streptokokken

Reinfektion erneute Infektion nach Ausheilung; bei geringer Ausprägung einer Immunreaktion

Virus-Zell-Interaktion

Infektionstyp Virusproduktion Reaktion der Zelle

abortiv - keine

lytisch ++ Zelltod

persistierend temporäre Symbioseproduktiv + variabel/Alterunglatent - keine

TransformationRNA-Viren - ImmortalisierungDNA-Viren + Immortalisierung

Konsequenzen der Virusinfektion

Direkter Effekt: DestruktionFunktionsverlust

Indirekter Effekt: ImmunpathologieAutoimmunität

Eintrittspforten

• Respirationstrakt (Tröpfcheninfektion, aerogen)- Influenzavirus, RSV, EBV, HSV, CMV- Masernvirus, Mumpsvirus, Rötelnvirus, VZV

• Intestinaltrakt (fäkal-oral)- Rota-, Adeno-, Calici- und Enteroviren, Hepatitis A

• Blut, Blutprodukte (parenteral)- HIV, Hepatitis B und C

• Biss- und Stichwunden durch Tiere/Insekten- Arboviren, Rabies

Transmission von Viren

Horizontal

• Blutkontakt (HCV, HIV)• Speichel (EBV, Mumps)• Organe (CMV, HBV)• Aerosole ( Masern, Influenza)• Arthropoden (FSME, Dengue)• Nahrung (HAV, Hantaviren)• fäkal-oral (Entero-, Rotaviren)

Vertikal

• Schwangere - Fetus- pränatal (Röteln, CMV)- konnatal (VZV, HBV)

Pathogenetische Stadien von Virusinfektionen

Wirt

Viruseintritt in den WirtPrimäre Replikation

VirämieZell- und Gewebstropismus

Zell- und OrganschädenImmunreaktionViruspersistenz

Slow Virus Disease

Zelle

AdsorptionPenetrationUncoating

TranskriptionTranslationAssemblyMaturationFreisetzung

Infektionskrankheit

Inkubationszeit

Prodromalstadium

Generalisation

Organmanifestation

Rekonvaleszenz

Unerwünschte Konsequenzen antiviraler Immunreaktionen

ImmunkomplexeAutoantikörper

ImmunpathologieAutoimmunerkrankungen

Kriterien für persistierende Virusinfektionen

1. Nicht-lytische Virus-Wirt-Interaktion

2. Versagen der Erkennung von viralen Proteinen durch das Immunsystem des Wirtes

Faktoren, die an der Enstehung persistierender Virusinfektionen beteiligt sind

Virale Eigenschaften MutationenIntegration der viralen NukleinsäureTropismusRegulation der MHC-Genexpression

Zelluläre Eigenschaften DifferenzierungsgradInterferonsyntheseEnzymdefekte

Immunreaktionen ImmundefekteAntigene ModulationSelektion von Virusvarianten

Akute Infektion

Latente Infektion

Viruselimination Chronische Infektionz.B. Hepatitis C

Reinfektionz.B. Influenza

Immunitätz.B. Masern

Reaktivierungz.B. Herpesviren

Slow Virus Infektion *z.B. Masern-SSPE

* Virus kann isoliert werden * Nukleinsäure kann nachgewiesen werden

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Verlaufsformen/Typen viraler Infektionen

Virale Pathogenese

Transformationz.B. HPV (Papillomiren)

Slow Virus Diseasez.B. SSPE

Zytopathogenitätz.B. Poliovirus

Immunpathogenese

unspezifischFreisetzung von

Zytokinen Fieberz.B. Adeno- & Masernvirus

spezifischZerstörung virus-

Infizierter Zielzellen durch CTLz.B. HBV