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Virus

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Virus "Schweres akutes respiratorisches Syndrom Coronavirus 2" SARS-CoV-2 , ein Mitglied der Unterfamilie Coronavirinae (ohne Rang): Virus Reiche

Ein Virus ist ein submikroskopischer Infektionserreger , der sich nur in den lebenden Zellen eines Organismus vermehrt . Viren infizieren alle Lebensformen , von Tieren und Pflanzen bis hin zu Mikroorganismen , einschließlich Bakterien und Archaeen . Seit dem Artikel von Dmitri Ivanovsky aus dem Jahr 1892, in dem ein nicht-bakterielles Pathogen beschrieben wird , das Tabakpflanzen infiziert, und der Entdeckung des Tabakmosaikvirus durch Martinus Beijerinck1898 wurden mehr als 9.000 Virusarten von Millionen von Virenarten in der Umwelt detailliert beschrieben. Viren kommen in fast jedem Ökosystem der Erde vor und sind die zahlreichste Art biologischer Entität. Die Erforschung von Viren ist als Virologie bekannt , ein Teilgebiet der Mikrobiologie .

Bei einer Infektion ist eine Wirtszelle gezwungen, schnell Tausende von Kopien des ursprünglichen Virus zu produzieren. Wenn er nicht innerhalb einer infizierten Zelle oder in dem Verfahren eine Zelle zu infizieren, existieren Viren in Form von unabhängigen Teilchen oder Virionen , die aus (i) , um dem genetischen Material , das heißt lange Molekül von DNA oder RNA , die die Struktur des kodieren Proteine, durch die das Virus wirkt; (ii) eine Proteinhülle , das Kapsid , das das genetische Material umgibt und schützt; und in einigen Fällen (iii) eine äußere Hülle aus Lipiden . Die Formen dieser Viruspartikel reichen von einfachen helikalen und ikosaedrischen Formen bis hin zu komplexeren Strukturen. Die meisten Virusarten haben Virionen, die zu klein sind, um mit einem optischen Mikroskop gesehen zu werden , da sie ein Hundertstel der Größe der meisten Bakterien haben.

Die Ursprünge von Viren in der Evolutionsgeschichte des Lebens sind unklar: Einige haben sich möglicherweise aus Plasmiden entwickelt – DNA-Stücken, die sich zwischen Zellen bewegen können – während andere sich aus Bakterien entwickelt haben. In der Evolution sind Viren ein wichtiges Mittel des horizontalen Gentransfers , der die genetische Vielfalt analog zur sexuellen Fortpflanzung erhöht . Viren werden von einigen Biologen als eine Lebensform angesehen, weil sie genetisches Material tragen, sich vermehren und sich durch natürliche Selektion entwickeln , obwohl ihnen die Schlüsselmerkmale wie die Zellstruktur fehlen, die im Allgemeinen als notwendige Kriterien für die Definition von Leben angesehen werden . Da sie einige, aber nicht alle dieser Eigenschaften besitzen, wurden Viren als „Organismen am Rande des Lebens“ und als Selbstreplikatoren beschrieben .

“ bezeichnet. Dies kann eng sein, was bedeutet, dass ein Virus in der Lage ist, wenige Arten zu infizieren, oder breit, was bedeutet, dass es in der Lage ist, viele zu infizieren.

Virusinfektionen bei Tieren lösen eine Immunantwort aus , die normalerweise das infizierende Virus eliminiert. Immunantworten können auch durch Impfstoffe erzeugt werden , die eine künstlich erworbene Immunität gegen die spezifische Virusinfektion verleihen . Einige Viren, einschließlich solcher, die AIDS, HPV-Infektionen und Virushepatitis verursachen , umgehen diese Immunreaktionen und führen zu chronischen Infektionen. Es wurden mehrere Klassen antiviraler Medikamente entwickelt.

Etymologie

), der aus dem Jahr 1959 stammt, wird auch verwendet, um sich auf ein einzelnes Viruspartikel zu beziehen, das aus der Zelle freigesetzt wird und in der Lage ist, andere Zellen des gleichen Typs zu infizieren.

Geschichte

Ein alter Mann mit Brille im Anzug sitzt auf einer Bank vor einem großen Fenster.  Die Bank ist mit kleinen Flaschen und Reagenzgläsern bedeckt.  An der Wand hinter ihm hängt eine große altmodische Uhr, darunter vier kleine geschlossene Regale, auf denen viele ordentlich beschriftete Flaschen stehen.
Martinus Beijerinck in seinem Labor 1921

Louis Pasteur konnte keinen Erreger der Tollwut finden und spekulierte über einen Erreger, der zu klein für den mikroskopischen Nachweis ist. Im Jahr 1884 erfand der französische Mikrobiologe Charles Chamberland den Chamberland-Filter (oder Pasteur-Chamberland-Filter) mit Poren, die klein genug sind, um alle Bakterien aus einer durch ihn geleiteten Lösung zu entfernen. 1892 untersuchte der russische Biologe Dmitri Ivanovsky mit diesem Filter das, was heute als Tabakmosaikvirus bekannt ist : Zerkleinerte Blattextrakte infizierter Tabakpflanzen blieben auch nach der Filtration zur Entfernung von Bakterien infektiös. Ivanovsky vermutete, dass die Infektion durch ein von Bakterien produziertes Toxin verursacht werden könnte, verfolgte die Idee jedoch nicht weiter. Damals dachte man, dass alle Infektionserreger durch Filter zurückgehalten und auf einem Nährmedium gezüchtet werden könnten – dies war Teil der Krankheitskeimtheorie . 1898 wiederholte der niederländische Mikrobiologe Martinus Beijerinck die Experimente und war überzeugt, dass die gefilterte Lösung einen neuen Infektionserreger enthielt. Er beobachtete, dass sich der Wirkstoff nur in sich teilenden Zellen vermehrte, aber da seine Experimente nicht zeigten, dass er aus Partikeln besteht, nannte er ihn Contagium vivum fluidum (löslicher lebender Keim) und führte das Wort Virus wieder ein . Beijerinck behauptete, dass Viren von Natur aus flüssig seien, eine Theorie, die später von Wendell Stanley diskreditiert wurde , der bewies, dass sie aus Partikeln bestehen. Im selben Jahr passierten Friedrich Loeffler und Paul Frosch das erste tierische Virus, das Aphthovirus (der Erreger der Maul- und Klauenseuche ), durch einen ähnlichen Filter.

Im frühen 20. Jahrhundert entdeckte der englische Bakteriologe Frederick Twort eine Gruppe von Viren, die Bakterien infizieren, die heute Bakteriophagen (oder allgemein "Phagen") genannt werden, und der frankokanadische Mikrobiologe Félix d'Herelle beschrieb Viren, die, wenn sie Bakterien auf eine Agarplatte , würde Bereiche mit toten Bakterien produzieren. Er verdünnte eine Suspension dieser Viren genau und stellte fest, dass die höchsten Verdünnungen (niedrigste Viruskonzentrationen) diskrete Bereiche toter Organismen bildeten, anstatt alle Bakterien abzutöten. Durch das Zählen dieser Bereiche und die Multiplikation mit dem Verdünnungsfaktor konnte er die Anzahl der Viren in der ursprünglichen Suspension berechnen. Phagen wurden als potenzielle Behandlung von Krankheiten wie Typhus und Cholera angekündigt , aber ihr Versprechen geriet mit der Entwicklung von Penicillin in Vergessenheit . Die Entwicklung bakterieller Resistenzen gegen Antibiotika hat das Interesse an der therapeutischen Verwendung von Bakteriophagen erneuert.

Ende des 19. Jahrhunderts wurden Viren hinsichtlich ihrer Infektiosität , ihrer Filterfähigkeit und ihres Bedarfs an lebenden Wirten definiert. Viren wurden nur in Pflanzen und Tieren gezüchtet. Im Jahr 1906 erfand Ross Granville Harrison eine Methode zum Wachsen von Gewebe in Lymphe , und 1913 verwendeten E. Steinhardt, C. Israeli und RA Lambert diese Methode, um Vacciniavirus in Fragmenten von Meerschweinchen-Hornhautgewebe zu züchten . Im Jahr 1928 züchteten HB Maitland und MC Maitland das Vaccinia-Virus in Suspensionen von gehackten Hühnernieren. Ihre Methode wurde erst in den 1950er Jahren weit verbreitet, als Poliovirus in großem Maßstab für die Impfstoffproduktion gezüchtet wurde.

Ein weiterer Durchbruch gelang 1931, als der amerikanische Pathologe Ernest William Goodpasture und Alice Miles Woodruff Influenza und mehrere andere Viren in befruchteten Hühnereiern züchteten. 1949 züchteten John Franklin Enders , Thomas Weller und Frederick Robbins Polioviren in kultivierten Zellen aus abgetriebenem menschlichem embryonalem Gewebe, dem ersten Virus, das ohne Verwendung von festem tierischem Gewebe oder Eiern gezüchtet wurde. Diese Arbeit ermöglichte es Hilary Koprowski und dann Jonas Salk , einen wirksamen Polio-Impfstoff herzustellen .

Die ersten Bilder von Viren wurden mit der Erfindung der Elektronenmikroskopie im Jahr 1931 durch die deutschen Ingenieure Ernst Ruska und Max Knoll gewonnen . 1935 untersuchte der amerikanische Biochemiker und Virologe Wendell Meredith Stanley das Tabakmosaikvirus und stellte fest, dass es hauptsächlich aus Protein besteht. Kurze Zeit später wurde dieses Virus in Protein- und RNA-Teile getrennt. Das Tabakmosaikvirus wurde als erstes kristallisiert und konnte daher in seiner Struktur im Detail aufgeklärt werden. Die ersten Röntgenbeugungsbilder des kristallisierten Virus wurden 1941 von Bernal und Fankuchen angefertigt. Rosalind Franklin entdeckte 1955 anhand ihrer kristallographischen Röntgenbilder die vollständige Struktur des Virus. Im selben Jahr entdeckte Heinz Fraenkel-Conrat und Robley Williams zeigten, dass sich gereinigte Tabakmosaikvirus-RNA und ihre Proteinhülle selbst zusammensetzen können, um funktionelle Viren zu bilden, was darauf hindeutet, dass dieser einfache Mechanismus wahrscheinlich das Mittel war, durch das Viren in ihren Wirtszellen erzeugt wurden.

Die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts war das goldene Zeitalter der Virusentdeckung, und die meisten der dokumentierten Arten von Tier-, Pflanzen- und Bakterienviren wurden in diesen Jahren entdeckt. 1957 wurde das equine Arterivirus und die Ursache der Bovinen Virusdiarrhoe (ein Pestivirus ) entdeckt. 1963 wurde das Hepatitis-B-Virus von Baruch Blumberg entdeckt und 1965 beschrieb Howard Temin das erste Retrovirus . Reverse Transkriptase , das Enzym , das Retroviren verwenden, um DNA-Kopien ihrer RNA herzustellen, wurde erstmals 1970 von Temin und David Baltimore unabhängig voneinander beschrieben. 1983 isolierte das Team von Luc Montagnier am Pasteur-Institut in Frankreich erstmals das Retrovirus, das heute HIV genannt wird. 1989 Michael Houghton ‚s Team bei Chiron Corporation entdeckte Hepatitis C .

Ursprünge

Viren kommen überall dort vor, wo es Leben gibt und gibt es wahrscheinlich schon seit der Entwicklung lebender Zellen. Der Ursprung von Viren ist unklar, da sie keine Fossilien bilden. Daher werden molekulare Techniken verwendet, um zu untersuchen, wie sie entstanden sind. Darüber hinaus integriert sich virales Erbgut gelegentlich in die Keimbahn der Wirtsorganismen, wodurch es über viele Generationen hinweg vertikal an die Nachkommen des Wirts weitergegeben werden kann. Dies bietet Paläovirologen eine unschätzbare Informationsquelle , um alte Viren zurückzuverfolgen, die bis vor Millionen von Jahren existierten. Es gibt drei Haupthypothesen, die darauf abzielen, den Ursprung von Viren zu erklären:

Regressive Hypothese
Zelluläre Ursprungshypothese
Einige Viren können sich aus DNA- oder RNA-Stücken entwickelt haben, die aus den Genen eines größeren Organismus "entkommen" sind. Die entkommene DNA könnte von Plasmiden (Stücken nackter DNA, die sich zwischen Zellen bewegen können) oder Transposons (DNA-Molekülen, die sich replizieren und an verschiedene Positionen innerhalb der Gene der Zelle bewegen) stammen. Einst als "springende Gene" bezeichnet, sind Transposons Beispiele für mobile genetische Elemente und könnten der Ursprung einiger Viren sein. Sie wurden 1950 von Barbara McClintock in Mais entdeckt . Dies wird manchmal als „Vagabundenhypothese“ oder „Fluchthypothese“ bezeichnet.
Co-Evolutions-Hypothese
Dies wird auch als "Virus-First-Hypothese" bezeichnet und legt nahe, dass sich Viren aus komplexen Protein- und Nukleinsäuremolekülen zur gleichen Zeit entwickelt haben könnten , als die Zellen zum ersten Mal auf der Erde erschienen und für Milliarden von Jahren vom zellulären Leben abhängig gewesen wären. Viroide sind RNA-Moleküle, die nicht als Viren klassifiziert werden, da ihnen eine Proteinhülle fehlt. Sie haben Eigenschaften, die mehreren Viren gemein sind und werden oft als subvirale Agentien bezeichnet. Viroide sind wichtige Krankheitserreger von Pflanzen. Sie kodieren nicht für Proteine, sondern interagieren mit der Wirtszelle und nutzen die Wirtsmaschinerie für ihre Replikation. Das Hepatitis-Delta-Virus des Menschen hat ein ähnliches RNA- Genom wie Viroide, hat aber eine Proteinhülle, die vom Hepatitis-B-Virus stammt, und kann keine eigene produzieren. Es handelt sich also um ein defektes Virus. Obwohl sich das Genom des Hepatitis-Delta-Virus innerhalb einer Wirtszelle unabhängig replizieren kann, benötigt es die Hilfe des Hepatitis-B-Virus, um eine Proteinhülle bereitzustellen, damit es auf neue Zellen übertragen werden kann. In ähnlicher Weise ist der Sputnik-Virophage vom Mimivirus abhängig , das das Protozoon Acanthamoeba castellanii infiziert . Diese Viren, die von der Anwesenheit anderer Virusarten in der Wirtszelle abhängig sind, werden „ Satelliten “ genannt und können evolutionäre Zwischenprodukte von Viroiden und Viren darstellen.

In der Vergangenheit gab es bei all diesen Hypothesen Probleme: Die regressive Hypothese erklärte nicht, warum selbst die kleinsten zellulären Parasiten in keiner Weise Viren ähneln. Die Fluchthypothese erklärte nicht die komplexen Kapside und anderen Strukturen auf Viruspartikeln. Die Virus-First-Hypothese widersprach der Definition von Viren, da sie Wirtszellen benötigen. Viren gelten heute als uralt und haben ihren Ursprung vor der Divergenz des Lebens in die drei Domänen . Diese Entdeckung hat moderne Virologen dazu veranlasst, diese drei klassischen Hypothesen zu überdenken und neu zu bewerten.

Die Beweise für eine angestammte Welt von RNA- Zellen und die Computeranalyse von Virus- und Wirts-DNA-Sequenzen geben ein besseres Verständnis der evolutionären Beziehungen zwischen verschiedenen Viren und können helfen, die Vorfahren moderner Viren zu identifizieren. Bis heute haben solche Analysen nicht bewiesen, welche dieser Hypothesen richtig ist. Es erscheint unwahrscheinlich, dass alle derzeit bekannten Viren einen gemeinsamen Vorfahren haben, und Viren sind wahrscheinlich in der Vergangenheit durch einen oder mehrere Mechanismen mehrfach entstanden.

Mikrobiologie

Lebenseigenschaften

Die wissenschaftlichen Meinungen gehen auseinander, ob Viren eine Lebensform oder organische Strukturen sind, die mit lebenden Organismen interagieren. Sie wurden als "Organismen am Rande des Lebens" beschrieben, da sie Organismen darin ähneln, dass sie Gene besitzen , sich durch natürliche Selektion entwickeln und sich reproduzieren, indem sie durch Selbstorganisation mehrere Kopien ihrer selbst erzeugen. Sie haben zwar Gene, aber keine zelluläre Struktur, die oft als Grundeinheit des Lebens angesehen wird. Viren haben keinen eigenen Stoffwechsel und benötigen eine Wirtszelle, um neue Produkte herzustellen. Sie können sich daher außerhalb einer Wirtszelle nicht auf natürliche Weise vermehren – obwohl einige Bakterien wie Rickettsien und Chlamydien trotz derselben Einschränkung als lebende Organismen gelten. Akzeptierte Lebensformen nutzen die Zellteilung, um sich zu vermehren, während sich Viren spontan in Zellen ansammeln. Sie unterscheiden sich vom autonomen Wachstum von Kristallen, da sie genetische Mutationen erben, während sie der natürlichen Selektion unterliegen. Die Selbstorganisation von Viren in Wirtszellen hat Auswirkungen auf die Erforschung des Ursprungs des Lebens , da sie der Hypothese, dass das Leben als selbstorganisierende organische Moleküle begonnen haben könnte, weitere Glaubwürdigkeit verleiht .

Struktur

Virionen einiger der häufigsten menschlichen Viren mit ihrer relativen Größe. Die Nukleinsäuren sind nicht maßstabsgetreu.
Diagramm, wie ein Viruskapsid aus mehreren Kopien von nur zwei Proteinmolekülen aufgebaut werden kann
Struktur des Tabakmosaikvirus : RNA, die in einer Helix aus sich wiederholenden Proteinuntereinheiten gewickelt ist
Struktur des ikosaedrischen Adenovirus . Elektronenmikroskopische Aufnahme mit einer Illustration zur Darstellung der Form
Struktur des Windpockenvirus . Sie haben eine Lipidhülle
Struktur eines ikosaedrischen Cowpea-Mosaikvirus
Bakteriophage Escherichia Virus MS2 Kapsid. Dieses kugelförmige Virus hat auch eine ikosaedrische Symmetrie.

Viren weisen eine große Vielfalt an Größen und Formen auf, die als „ Morphologien “ bezeichnet werden. Im Allgemeinen sind Viren viel kleiner als Bakterien und mehr als tausend Bakteriophagenviren würden in die Zelle eines Escherichia coli- Bakteriums passen . Viele untersuchte Viren sind kugelförmig und haben einen Durchmesser zwischen 20 und 300 Nanometern . Einige Filoviren , bei denen es sich um Filamente handelt, haben eine Gesamtlänge von bis zu 1400 nm; ihre Durchmesser betragen nur etwa 80 nm. Die meisten Viren können nicht mit einem zu sehen optischen Mikroskop , so Raster- und Transmissions - Elektronenmikroskopen , sie sichtbar zu machen, verwendet. Um den Kontrast zwischen Viren und Hintergrund zu erhöhen, werden elektronendichte "Flecken" verwendet. Dies sind Lösungen von Salzen von Schwermetallen wie Wolfram , die die Elektronen aus den mit dem Fleck bedeckten Bereichen streuen. Wenn Virionen mit Färbemittel beschichtet sind (Positivfärbung), werden feine Details verdeckt. Negative Färbung überwindet dieses Problem, indem nur der Hintergrund gefärbt wird.

Ein vollständiges Viruspartikel, bekannt als Virion , besteht aus Nukleinsäure, die von einer schützenden Proteinhülle umgeben ist, die als Kapsid bezeichnet wird . Diese werden aus Proteinuntereinheiten gebildet, die Kapsomere genannt werden . Viren können eine haben Lipid „Hülle“ von dem Wirt stammt Zellmembran . Das Kapsid besteht aus Proteinen, die vom viralen Genom kodiert werden, und seine Form dient als Grundlage für die morphologische Unterscheidung. Viral kodierte Proteinuntereinheiten werden sich selbst zusammenbauen, um ein Kapsid zu bilden, was im Allgemeinen die Anwesenheit des Virusgenoms erfordert. Komplexe Viren kodieren für Proteine, die beim Aufbau ihres Kapsids helfen. Mit Nukleinsäure assoziierte Proteine ​​sind als Nukleoproteine ​​bekannt , und die Assoziation von viralen Kapsidproteinen mit viraler Nukleinsäure wird als Nukleokapsid bezeichnet. Das Kapsid und die gesamte Virusstruktur können mechanisch (physikalisch) durch Rasterkraftmikroskopie untersucht werden . Im Allgemeinen gibt es fünf morphologische Hauptvirentypen:

Helix
Diese Viren bestehen aus einem einzigen Kapsomertyp, der um eine zentrale Achse gestapelt ist, um eine helikale Struktur zu bilden , die einen zentralen Hohlraum oder eine Röhre aufweisen kann. Diese Anordnung führt zu Virionen, die kurze und sehr steife Stäbchen oder lange und sehr flexible Filamente sein können. Das genetische Material (typischerweise einzelsträngige RNA, aber in einigen Fällen einzelsträngige DNA) wird durch Wechselwirkungen zwischen der negativ geladenen Nukleinsäure und positiven Ladungen des Proteins in die Proteinhelix eingebunden. Insgesamt hängt die Länge eines helikalen Kapsids von der Länge der darin enthaltenen Nukleinsäure ab, und der Durchmesser hängt von der Größe und Anordnung der Kapsomere ab. Das gut untersuchte Tabakmosaikvirus und das Inovirus sind Beispiele für helikale Viren.
Ikosaeder
Die meisten tierischen Viren sind ikosaedrisch oder nahezu kugelförmig mit chiraler ikosaedrischer Symmetrie . Ein regelmäßiges Ikosaeder ist der optimale Weg, um aus identischen Untereinheiten eine geschlossene Schale zu bilden. Die Mindestanzahl von Kapsomeren, die für jede dreieckige Fläche erforderlich sind, beträgt 3, was 60 für das Ikosaeder ergibt. Viele Viren, wie das Rotavirus, haben mehr als 60 Kapsomere und erscheinen kugelförmig, behalten aber diese Symmetrie bei. Um dies zu erreichen, werden die Kapsomere an den Spitzen von fünf weiteren Kapsomeren umgeben und werden Pentons genannt. Kapsomere auf den dreieckigen Flächen sind von sechs anderen umgeben und werden Hexone genannt . Hexone sind im Wesentlichen flach und Pentons, die die 12 Eckpunkte bilden, sind gekrümmt. Dasselbe Protein kann als Untereinheit sowohl der Pentamere als auch der Hexamere fungieren oder sie können aus unterschiedlichen Proteinen bestehen.
Verlängern
Dies ist ein entlang der fünfzähligen Achse verlängertes Ikosaeder und ist eine übliche Anordnung der Köpfe von Bakteriophagen. Diese Struktur besteht aus einem Zylinder mit einer Kappe an beiden Enden.
Umhüllt
Einige Virusarten umhüllen sich in einer modifizierten Form einer der Zellmembranen , entweder der äußeren Membran , die eine infizierte Wirtszelle umgibt , oder inneren Membranen wie einer Kernmembran oder dem endoplasmatischen Retikulum , wodurch eine äußere Lipiddoppelschicht entsteht , die als virale Hülle bekannt ist . Diese Membran ist mit Proteinen besetzt, die vom viralen Genom und Wirtsgenom kodiert werden; die Lipidmembran selbst und alle vorhandenen Kohlenhydrate stammen vollständig vom Wirt. Influenzavirus , HIV (das AIDS verursacht ) und das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (das COVID-19 verursacht ) verwenden diese Strategie. Die meisten behüllten Viren sind für ihre Infektiosität von der Hülle abhängig.
Komplex
Diese Viren besitzen ein Kapsid, das weder rein helixförmig noch rein ikosaedrisch ist und das zusätzliche Strukturen wie Proteinschwänze oder eine komplexe Außenwand aufweisen kann. Einige Bakteriophagen, wie der Enterobacteria-Phagen T4 , haben eine komplexe Struktur, die aus einem ikosaedrischen Kopf besteht, der an einen helikalen Schwanz gebunden ist, der eine hexagonale Grundplatte mit hervorstehenden Proteinschwanzfasern aufweisen kann. Diese Schwanzstruktur wirkt wie eine molekulare Spritze, die sich an den bakteriellen Wirt anheftet und dann das virale Genom in die Zelle injiziert.

Die Pockenviren sind große, komplexe Viren mit einer ungewöhnlichen Morphologie. Das virale Genom ist mit Proteinen innerhalb einer zentralen Scheibenstruktur assoziiert, die als Nukleoid bekannt ist . Das Nukleoid ist von einer Membran und zwei seitlichen Körpern unbekannter Funktion umgeben. Das Virus hat eine äußere Hülle mit einer dicken Proteinschicht, die über seiner Oberfläche gespickt ist. Das ganze Virion ist leicht pleomorph und reicht von eiförmig bis ziegelförmig.

Riesenviren

Das Mimivirus ist eines der größten charakterisierten Viren mit einem Kapsiddurchmesser von 400 nm. 100 nm große Proteinfilamente ragen aus der Oberfläche. Das Kapsid erscheint im Elektronenmikroskop sechseckig, daher ist das Kapsid wahrscheinlich ikosaedrisch. Im Jahr 2011 entdeckten Forscher das größte damals bekannte Virus in Wasserproben, die vom Meeresboden vor der Küste von Las Cruces, Chile, gesammelt wurden. Vorläufig als Megavirus chilensis bezeichnet , kann es mit einem einfachen optischen Mikroskop gesehen werden. Im Jahr 2013 wurde die Gattung Pandoravirus in Chile und Australien entdeckt und hat Genome, die etwa doppelt so groß sind wie Megavirus und Mimivirus. Alle Riesen-Viren haben dsDNA Genome und sie sind in verschiedene Familien eingeteilt: Mimiviridae , Pithoviridae, Pandoraviridae , Phycodnaviridae , und die Mollivirus Gattung.

Einige Viren, die Archaea infizieren, haben komplexe Strukturen, die mit keiner anderen Virusform verwandt sind, mit einer Vielzahl ungewöhnlicher Formen, die von spindelförmigen Strukturen bis hin zu Viren reichen, die hakenförmigen Stäbchen, Tränen oder sogar Flaschen ähneln. Andere Archaeenviren ähneln den Bakteriophagen mit Schwanz und können mehrere Schwanzstrukturen aufweisen.

Genom

Genomische Vielfalt unter Viren
Eigentum Parameter
Nukleinsäure
  • DNA
  • RNA
  • Sowohl DNA als auch RNA (in verschiedenen Stadien des Lebenszyklus)
Form
  • Linear
  • Kreisförmig
  • Segmentiert
Strandung
  • Eindrähtig (ss)
  • Doppelsträngig (ds)
  • Doppelsträngig mit einzelsträngigen Regionen
Sinn
  • Positiver Sinn (+)
  • Negativer Sinn (−)
  • Ambissen (+/−)
Virus mehr als 193.000 vollständige Genomsequenzen, aber es gibt zweifellos noch viele weitere zu entdecken.

Ein Virus hat entweder ein DNA- oder ein RNA- Genom und wird als DNA-Virus bzw. RNA-Virus bezeichnet. Die überwiegende Mehrheit der Viren besitzt RNA-Genome. Pflanzenviren neigen dazu, einzelsträngige RNA-Genome zu haben, und Bakteriophagen neigen dazu, doppelsträngige DNA-Genome zu haben.

Virale Genome sind zirkulär, wie bei den Polyomaviren , oder linear, wie bei den Adenoviren . Die Art der Nukleinsäure ist für die Form des Genoms unerheblich. Bei RNA-Viren und bestimmten DNA-Viren wird das Genom oft in einzelne Teile aufgeteilt, in diesem Fall wird es als segmentiert bezeichnet. Bei RNA-Viren kodiert jedes Segment oft nur für ein Protein und sie werden normalerweise zusammen in einem Kapsid gefunden. Es ist nicht erforderlich, dass sich alle Segmente im gleichen Virion befinden, damit das Virus infektiös ist, wie das Brommosaikvirus und mehrere andere Pflanzenviren zeigen.

Ein virales Genom ist unabhängig vom Nukleinsäuretyp fast immer entweder einzelsträngig (ss) oder doppelsträngig (ds). Einzelsträngige Genome bestehen aus einer ungepaarten Nukleinsäure, analog zu einer halben Leiter, die in der Mitte geteilt ist. Doppelsträngige Genome bestehen aus zwei komplementär gepaarten Nukleinsäuren, analog zu einer Leiter. Die Viruspartikel einiger Virusfamilien, beispielsweise der zu den Hepadnaviridae gehörenden , enthalten ein Genom, das teilweise doppelsträngig und teilweise einzelsträngig ist.

Bei den meisten Viren mit RNA-Genomen und einigen mit einzelsträngigen DNA (ssDNA)-Genomen werden die Einzelstränge entweder als positiv (als „Plus-Strang“ bezeichnet) oder als negativ (als „Minus-Strang“ bezeichnet) bezeichnet. ), abhängig davon, ob sie komplementär zur viralen Boten-RNA (mRNA) sind. Positive-Sense-virale RNA ist im gleichen Sinne wie virale mRNA und daher kann zumindest ein Teil davon sofort von der Wirtszelle translatiert werden. Virale RNA mit negativem Sinn ist komplementär zu mRNA und muss daher vor der Translation durch eine RNA-abhängige RNA-Polymerase in RNA mit positivem Sinn umgewandelt werden . Die DNA-Nomenklatur für Viren mit genomischer ssDNA ähnelt der RNA-Nomenklatur, da die virale ssDNA des positiven Strangs in der Sequenz mit der viralen mRNA identisch ist und somit ein kodierender Strang ist, während die virale ssDNA mit negativem Sinn komplementär zur viralen mRNA ist und somit ein Schablonenstrang. Mehrere Arten von ssDNA- und ssRNA-Viren haben Genome, die Ambisense sind , da die Transkription von beiden Strängen in einem doppelsträngigen replikativen Zwischenprodukt erfolgen kann. Beispiele umfassen Geminiviren , die ssDNA-Pflanzenviren sind, und Arenaviren , die ssRNA-Viren von Tieren sind.

Genomgröße

Die Genomgröße variiert stark zwischen den Arten. Die kleinsten – die ssDNA-Circoviren, Familie Circoviridae – kodieren nur für zwei Proteine ​​und haben eine Genomgröße von nur zwei Kilobasen; die größten – die Pandoraviren – haben Genomgrößen von etwa zwei Megabasen, die für etwa 2500 Proteine ​​kodieren. Virusgene haben selten Introns und sind im Genom oft so angeordnet, dass sie sich überlappen .

Im Allgemeinen haben RNA-Viren aufgrund einer höheren Fehlerrate bei der Replikation kleinere Genomgrößen als DNA-Viren und eine maximale Größenobergrenze. Darüber hinaus machen Fehler bei der Replikation den Virus unbrauchbar oder wettbewerbsunfähig. Um dies zu kompensieren, haben RNA-Viren oft segmentierte Genome – das Genom ist in kleinere Moleküle aufgespalten – wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass ein Fehler in einem Einkomponenten-Genom das gesamte Genom außer Gefecht setzt. Im Gegensatz dazu haben DNA-Viren aufgrund der hohen Genauigkeit ihrer Replikationsenzyme im Allgemeinen größere Genome. Einzelstrang-DNA-Viren sind eine Ausnahme von dieser Regel, da die Mutationsraten für diese Genome das Extrem des ssRNA-Virus-Falls erreichen können.

Genetische Mutation

Ein Cartoon, der zeigt, wie virale Gene gemischt werden können, um neue Viren zu bilden
Antigenverschiebung oder Neuzusammenstellung kann zu neuen und hochpathogenen Stämmen der menschlichen Grippe führen
derselben Spezies, jedoch mit leicht unterschiedlichen Nukleosidsequenzen des Genoms. Solche Quasiarten sind ein Hauptziel für die natürliche Selektion.

Segmentierte Genome verleihen evolutionäre Vorteile; verschiedene Stämme eines Virus mit einem segmentierten Genom können Gene mischen und kombinieren und Nachkommenviren (oder Nachkommen) mit einzigartigen Eigenschaften produzieren. Dies wird Reassortment oder „viraler Sex“ genannt.

Genetische Rekombination ist der Prozess, bei dem ein DNA- (oder RNA-)Strang gebrochen und dann mit dem Ende eines anderen DNA- (oder RNA-) Moleküls verbunden wird. Dies kann auftreten, wenn Viren gleichzeitig Zellen infizieren und Studien zur viralen Evolution haben gezeigt, dass die Rekombination bei den untersuchten Spezies weit verbreitet ist. Die Rekombination ist sowohl bei RNA- als auch bei DNA-Viren üblich.

Replikationszyklus

Ein typischer Virus-Replikationszyklus
Einige Bakteriophagen injizieren ihre Genome in Bakterienzellen (nicht maßstabsgetreu)

Viruspopulationen wachsen nicht durch Zellteilung, da sie azellulär sind. Stattdessen verwenden sie die Maschinerie und den Stoffwechsel einer Wirtszelle, um mehrere Kopien von sich selbst zu produzieren, und sie bauen sich in der Zelle zusammen. Bei einer Infektion ist die Wirtszelle gezwungen, schnell Tausende von Kopien des ursprünglichen Virus zu produzieren.

Ihr Lebenszyklus unterscheidet sich stark zwischen den Arten, aber es gibt sechs grundlegende Phasen in ihrem Lebenszyklus:

von viralen und zellulären Membranen führen, oder Veränderungen von nicht umhüllten Virusoberflächenproteinen, die dem Virus das Eindringen ermöglichen.

Penetration oder Viruseintritt folgt der Anheftung: Virionen dringen in die Wirtszelle durch rezeptorvermittelte Endozytose oder Membranfusion ein . Die Infektion von Pflanzen- und Pilzzellen unterscheidet sich von der von tierischen Zellen. Pflanzen haben eine starre Zellwand aus Zellulose und Pilze eine aus Chitin, sodass die meisten Viren erst nach einem Trauma der Zellwand in diese Zellen gelangen können. Fast alle Pflanzenviren (wie das Tabakmosaikvirus) können sich auch direkt von Zelle zu Zelle in Form von einzelsträngigen Nukleoproteinkomplexen durch Poren, die als Plasmodesmata bezeichnet werden, bewegen . Bakterien haben wie Pflanzen starke Zellwände, die ein Virus durchbrechen muss, um die Zelle zu infizieren. Da Bakterienzellwände aufgrund ihrer viel geringeren Größe viel dünner sind als Pflanzenzellwände, haben einige Viren Mechanismen entwickelt, die ihr Genom über die Zellwand in die Bakterienzelle injizieren, während das virale Kapsid draußen bleibt.

Die Enthüllung ist ein Prozess, bei dem das virale Kapsid entfernt wird: Dies kann durch Abbau durch virale Enzyme oder Wirtsenzyme oder durch einfache Dissoziation erfolgen; das Endergebnis ist die Freisetzung der viralen genomischen Nukleinsäure.

Die Replikation von Viren beinhaltet hauptsächlich die Vermehrung des Genoms. Die Replikation umfasst die Synthese viraler Boten-RNA (mRNA) aus "frühen" Genen (mit Ausnahme von Positiv-Sense-RNA-Viren), die virale Proteinsynthese , den möglichen Zusammenbau viraler Proteine, dann die virale Genomreplikation, die durch frühe oder regulatorische Proteinexpression vermittelt wird. Dies kann bei komplexen Viren mit größeren Genomen von einer oder mehreren weiteren Runden der mRNA-Synthese gefolgt werden: "späte" Genexpression ist im Allgemeinen von Struktur- oder Virionproteinen.

Montag - die Struktur-vermittelte Selbstorganisation des Viruspartikels folgend tritt eine gewisse Modifizierung der Proteine oft. Bei Viren wie HIV tritt diese Modifikation (manchmal als Reifung bezeichnet) auf, nachdem das Virus aus der Wirtszelle freigesetzt wurde.

Lösen - Viren können werden freigesetzt aus der Wirtszelle durch Lyse , einen Prozess, der die Zelle tötet durch Platzen seine Membran und Zellwand , falls vorhanden: dies ist ein Merkmal vielen Bakterien und einige Tierviren. Einige Viren durchlaufen einen lysogenen Zyklus, bei dem das virale Genom durch genetische Rekombination an einer bestimmten Stelle im Chromosom des Wirts eingebaut wird . Das virale Genom wird dann als „ Provirus “ oder im Falle von Bakteriophagen als „ Prophage “ bezeichnet. Immer wenn sich der Wirt teilt, wird auch das virale Genom repliziert. Das virale Genom ist im Wirt meistens stumm. An einem bestimmten Punkt kann das Provirus oder der Prophagen das aktive Virus hervorrufen, das die Wirtszellen lysieren kann. Behüllte Viren (zB HIV) werden typischerweise durch Knospung aus der Wirtszelle freigesetzt . Während dieses Prozesses erhält das Virus seine Hülle, die ein modifiziertes Stück des Plasmas des Wirts oder einer anderen inneren Membran ist.

Genomreplikation

Das genetische Material innerhalb von Viruspartikeln und die Methode, mit der das Material repliziert wird, variieren erheblich zwischen verschiedenen Virentypen.

DNA-Viren
Die Genomreplikation der meisten DNA-Viren findet im Zellkern statt . Besitzt die Zelle den entsprechenden Rezeptor auf ihrer Oberfläche, gelangen diese Viren entweder durch direkte Fusion mit der Zellmembran (zB Herpesviren) oder – häufiger – durch rezeptorvermittelte Endozytose in die Zelle. Die meisten DNA-Viren sind vollständig von der DNA- und RNA-Synthesemaschinerie und der RNA-Verarbeitungsmaschinerie der Wirtszelle abhängig. Viren mit größeren Genomen können einen Großteil dieser Maschinerie selbst kodieren. Bei Eukaryoten muss das virale Genom die Zellkernmembran durchqueren, um auf diese Maschinerie zugreifen zu können, während es bei Bakterien nur in die Zelle eindringen muss.
RNA-Viren
Die Replikation von RNA-Viren findet normalerweise im Zytoplasma statt . RNA-Viren können in Abhängigkeit von ihrem Replikationsmodus in vier verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Die Polarität (ob sie direkt von Ribosomen zur Herstellung von Proteinen verwendet werden kann oder nicht) von einzelsträngigen RNA-Viren bestimmt weitgehend den Replikationsmechanismus; das andere wichtige Kriterium ist, ob das genetische Material einzelsträngig oder doppelsträngig ist. Alle RNA-Viren verwenden ihre eigenen RNA-Replicase- Enzyme, um Kopien ihres Genoms zu erstellen.
Reverse Transkription von Viren
Reverse transkribierende Viren haben ssRNA ( Retroviridae , Metaviridae , Pseudoviridae ) oder dsDNA ( Caulimoviridae und Hepadnaviridae ) in ihren Partikeln. Reverse transkribierende Viren mit RNA-Genomen ( Retroviren ) verwenden ein DNA-Zwischenprodukt zur Replikation, während solche mit DNA-Genomen ( Pararetroviren ) ein RNA-Zwischenprodukt während der Genomreplikation verwenden. Beide Typen verwenden eine reverse Transkriptase oder ein RNA-abhängiges DNA-Polymerase-Enzym, um die Nukleinsäureumwandlung durchzuführen. Retroviren integrieren die durch reverse Transkription produzierte DNA als Provirus als Teil des Replikationsprozesses in das Wirtsgenom; Pararetroviren nicht, obwohl integrierte Genomkopien von insbesondere pflanzlichen Pararetroviren zu infektiösem Virus führen können. Sie sind anfällig für antivirale Medikamente , die das Enzym Reverse Transkriptase hemmen, zB Zidovudin und Lamivudin . Ein Beispiel für den ersten Typ ist HIV, das ein Retrovirus ist. Beispiele für den zweiten Typ sind die Hepadnaviridae , zu denen das Hepatitis-B-Virus gehört.

Zytopathische Wirkungen auf die Wirtszelle

sind.

Schlafende und latente Infektionen

Einige Viren verursachen keine sichtbaren Veränderungen an der infizierten Zelle. Zellen, in denen das Virus latent und inaktiv ist, zeigen wenige Anzeichen einer Infektion und funktionieren oft normal. Dies führt zu anhaltenden Infektionen und das Virus ruht oft für viele Monate oder Jahre. Dies ist häufig bei Herpesviren der Fall .

Host-Bereich

Viren sind bei weitem die am häufigsten vorkommenden biologischen Einheiten auf der Erde und sie überwiegen alle anderen zusammen. Sie infizieren alle Arten von Zellleben, einschließlich Tiere, Pflanzen, Bakterien und Pilze . Verschiedene Arten von Viren können nur eine begrenzte Anzahl von Wirten infizieren und viele sind artspezifisch. Manche, wie zum Beispiel das Pockenvirus , können nur eine Art infizieren – in diesem Fall den Menschen – und sollen ein enges Wirtsspektrum haben . Andere Viren, wie das Tollwutvirus, können verschiedene Säugetierarten infizieren und sollen ein breites Verbreitungsgebiet haben. Die Viren, die Pflanzen infizieren, sind für Tiere ungefährlich, und die meisten Viren, die andere Tiere infizieren, sind für den Menschen ungefährlich. Der Host - Bereich von einigen Bakteriophagen wird auf einen einzigen beschränkt Stamm von Bakterien und können sie verwendet werden , um die Quelle des Ausbruchs von Infektionen durch eine Verfahren namens nachzuzeichnen Phagentypisierung . Der vollständige Satz von Viren in einem Organismus oder Lebensraum wird als Virom bezeichnet ; zum Beispiel bilden alle menschlichen Viren das menschliche Virom .

Einstufung

Die Klassifikation versucht, die Vielfalt von Viren zu beschreiben, indem man sie auf der Grundlage von Ähnlichkeiten benennt und gruppiert. 1962 entwickelten André Lwoff , Robert Horne und Paul Tournier als erste ein Verfahren zur Virusklassifizierung, das auf dem hierarchischen System von Linné basiert . Diese systembasierte Klassifikation basiert auf Stamm , Klasse , Ordnung , Familie , Gattung und Art . Viren wurden nach ihren gemeinsamen Eigenschaften (nicht denen ihrer Wirte) und der Art der Nukleinsäure, die ihr Genom bildet, gruppiert. 1966 wurde das Internationale Komitee für die Taxonomie von Viren (ICTV) gegründet. Das von Lwoff, Horne und Tournier vorgeschlagene System wurde vom ICTV zunächst nicht akzeptiert, da die geringe Genomgröße der Viren und ihre hohe Mutationsrate es schwierig machten, ihre Abstammung jenseits der Ordnung zu bestimmen. Als solches wurde das Klassifikationssystem von Baltimore verwendet, um die traditionellere Hierarchie zu ergänzen. Ab 2018 begann das ICTV, tiefere evolutionäre Beziehungen zwischen Viren, die im Laufe der Zeit entdeckt wurden, anzuerkennen und ein 15-Rang-Klassifizierungssystem zu verwenden, das von Reich zu Art reicht.

ICTV-Klassifizierung

Das ICTV hat das aktuelle Klassifizierungssystem entwickelt und Richtlinien verfasst, die bestimmten Viruseigenschaften mehr Gewicht beimessen, um die Einheitlichkeit der Familie zu wahren. Es wurde eine einheitliche Taxonomie (ein universelles System zur Klassifizierung von Viren) erstellt. Nur ein kleiner Teil der gesamten Vielfalt der Viren wurde untersucht. Ab 2020 wurden 6 Reiche, 10 Königreiche, 17 Stämme, 2 Unterstämme, 39 Klassen, 59 Ordnungen, 8 Unterordnungen, 189 Familien, 136 Unterfamilien , 2.224 Gattungen, 70 Untergattungen und 9.110 Virusarten vom ICTV definiert.

Die allgemeine taxonomische Struktur von Taxonbereichen und die Suffixe, die in taxonomischen Namen verwendet werden, werden im Folgenden gezeigt. Ab 2020 werden die Ränge von Unterreich, Unterreich und Unterklasse nicht verwendet, während alle anderen Ränge verwendet werden.

Reich ( -viria )
Unterbereich ( -vira )
Königreich ( -virae )
Unterreich ( -virites )
Phylum ( -viricota )
Unterstamm ( -viricotina )
Klasse ( -viricetes )
Unterklasse ( -viricetidae )
Bestellung ( -virales )
Unterordnung ( -virineae )
Familie ( -viridae )
Unterfamilie ( -virinae )
Gattung ( -virus )
Untergattung ( -virus )
Spezies

Baltimore-Klassifizierung

Ein Diagramm, das zeigt, wie die Baltimore-Klassifikation auf der DNA oder RNA eines Virus und der Methode der mRNA-Synthese basiert
Die Baltimore-Klassifikation der Viren basiert auf der Methode der viralen mRNA- Synthese

Der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Biologe David Baltimore hat das Baltimore-Klassifikationssystem entwickelt. Das ICTV-Klassifizierungssystem wird in Verbindung mit dem Baltimore-Klassifizierungssystem bei der modernen Virusklassifizierung verwendet.

Die Baltimore-Klassifikation der Viren basiert auf dem Mechanismus der mRNA- Produktion. Viren müssen mRNAs aus ihren Genomen erzeugen, um Proteine ​​zu produzieren und sich selbst zu replizieren, aber in jeder Virusfamilie werden unterschiedliche Mechanismen verwendet, um dies zu erreichen. Virale Genome können einzelsträngig (ss) oder doppelsträngig (ds), RNA oder DNA sein und können reverse Transkriptase (RT) verwenden oder nicht . Darüber hinaus können ssRNA-Viren entweder Sense (+) oder Antisense (–) sein. Diese Klassifizierung teilt Viren in sieben Gruppen ein:


Rolle bei menschlichen Krankheiten

Ein Foto des Oberkörpers eines Mannes, der mit den Namen der Viren beschriftet ist, die die verschiedenen Teile infizieren
Überblick über die wichtigsten Virusinfektionsarten und die wichtigsten beteiligten Arten

Beispiele für häufige menschliche Krankheiten, die durch Viren verursacht werden, sind Erkältung , Grippe, Windpocken und Fieberbläschen . Viele schwere Krankheiten wie Tollwut , Ebola-Virus , AIDS (HIV) , Vogelgrippe und SARS werden durch Viren verursacht. Die relative Fähigkeit von Viren, Krankheiten zu verursachen, wird als Virulenz beschrieben . Andere Krankheiten werden untersucht, um herauszufinden , ob sie ein Virus als Erreger haben, wie der mögliche Zusammenhang zwischen dem humanen Herpesvirus 6 (HHV6) und neurologischen Erkrankungen wie Multipler Sklerose und dem chronischen Müdigkeitssyndrom . Es ist umstritten, ob das Bornavirus , von dem bisher angenommen wurde, dass es bei Pferden neurologische Erkrankungen verursacht , für psychiatrische Erkrankungen beim Menschen verantwortlich sein könnte.

Viren haben unterschiedliche Mechanismen, mit denen sie in einem Organismus Krankheiten hervorrufen, die weitgehend von der Virusart abhängen. Zu den Mechanismen auf zellulärer Ebene zählen in erster Linie die Zelllyse, das Aufbrechen und anschließende Absterben der Zelle. In vielzelligen Organismen , wenn genügend Zellen sterben, wird der gesamte Organismus beginnen , die Auswirkungen zu leiden. Obwohl Viren eine Störung der gesunden Homöostase verursachen , was zu Krankheiten führt, können sie innerhalb eines Organismus relativ harmlos existieren. Ein Beispiel wäre die Fähigkeit des Herpes-simplex-Virus , das Fieberbläschen verursacht, im menschlichen Körper in einem ruhenden Zustand zu bleiben. Dies wird als Latenz bezeichnet und ist ein Merkmal der Herpesviren, einschließlich des Epstein-Barr-Virus, das Drüsenfieber verursacht, und des Varicella-Zoster-Virus , das Windpocken und Gürtelrose verursacht . Die meisten Menschen haben sich mit mindestens einem dieser Herpesviren infiziert. Diese latenten Viren können manchmal von Vorteil sein, da das Vorhandensein des Virus die Immunität gegen bakterielle Krankheitserreger wie Yersinia pestis erhöhen kann .

Einige Viren können lebenslange oder chronische Infektionen verursachen, bei denen sich die Viren trotz der Abwehrmechanismen des Wirts weiter im Körper vermehren. Dies ist bei Infektionen mit dem Hepatitis-B-Virus und dem Hepatitis-C-Virus üblich. Chronisch Infizierte werden als Überträger bezeichnet, da sie als Reservoir für infektiöse Viren dienen. In Populationen mit einem hohen Anteil an Überträgern gilt die Krankheit als endemisch .

Epidemiologie

Die Virusepidemiologie ist der Zweig der Medizin, der sich mit der Übertragung und Bekämpfung von Virusinfektionen beim Menschen befasst. Die Übertragung von Viren kann vertikal, also von der Mutter auf das Kind, oder horizontal, also von Mensch zu Mensch, erfolgen. Beispiele für eine vertikale Übertragung sind das Hepatitis-B-Virus und HIV, bei denen das Baby bereits mit dem Virus infiziert geboren wird. Ein weiteres, selteneres Beispiel ist das Varicella-Zoster-Virus , das, obwohl es bei Kindern und Erwachsenen relativ leichte Infektionen verursacht, für den Fötus und das Neugeborene tödlich sein kann.

Die horizontale Übertragung ist der häufigste Mechanismus zur Verbreitung von Viren in Populationen. Eine horizontale Übertragung kann auftreten, wenn Körperflüssigkeiten während der sexuellen Aktivität ausgetauscht werden, durch Austausch von Speichel oder wenn kontaminiertes Essen oder Wasser aufgenommen wird. Es kann auch auftreten, wenn virenhaltige Aerosole eingeatmet werden oder durch Insektenvektoren , wie wenn infizierte Mücken die Haut eines Wirts durchdringen. Die meisten Arten von Viren sind auf nur einen oder zwei dieser Mechanismen beschränkt und werden als "respiratorische Viren" oder "enterische Viren" usw. bezeichnet. Die Übertragungsrate oder -geschwindigkeit von Virusinfektionen hängt von Faktoren ab, zu denen die Bevölkerungsdichte, die Anzahl der anfälligen Personen (dh diejenigen, die nicht immun sind), die Qualität der Gesundheitsversorgung und das Wetter zählen.

Epidemiologie wird verwendet, um die Infektionskette in Bevölkerungen während des Ausbruchs von Viruserkrankungen zu unterbrechen . Es werden Kontrollmaßnahmen eingesetzt, die auf Kenntnissen über die Übertragung des Virus beruhen. Es ist wichtig, die Quelle oder Quellen des Ausbruchs zu finden und das Virus zu identifizieren. Ist das Virus einmal identifiziert, kann die Übertragungskette manchmal durch Impfstoffe unterbrochen werden. Wenn keine Impfstoffe verfügbar sind, können Hygiene und Desinfektion wirksam sein. Oft werden infizierte Menschen vom Rest der Gemeinschaft isoliert und diejenigen, die dem Virus ausgesetzt waren, in Quarantäne gestellt . Um den Ausbruch der Maul- und Klauenseuche bei Rindern in Großbritannien im Jahr 2001 zu kontrollieren , wurden Tausende von Rindern geschlachtet. Die meisten Virusinfektionen von Menschen und anderen Tieren haben Inkubationszeiten, in denen die Infektion keine Anzeichen oder Symptome verursacht. Inkubationszeiten für Viruserkrankungen reichen von wenigen Tagen bis zu Wochen, sind aber für die meisten Infektionen bekannt. Etwas überlappend, aber hauptsächlich nach der Inkubationszeit, gibt es eine Phase der Übertragbarkeit – eine Zeit, in der eine infizierte Person oder ein infiziertes Tier ansteckend ist und eine andere Person oder ein anderes Tier infizieren kann. Auch dies ist bei vielen Virusinfektionen bekannt, und die Kenntnis der Länge beider Perioden ist für die Bekämpfung von Ausbrüchen wichtig. Wenn Ausbrüche einen ungewöhnlich hohen Anteil an Fällen in einer Bevölkerung, Gemeinde oder Region verursachen, werden sie als Epidemien bezeichnet. Wenn sich Ausbrüche weltweit ausbreiten, nennt man sie Pandemien .

Epidemien und Pandemien

Eine elektronenmikroskopische Aufnahme des Virus, das die Spanische Grippe verursacht hat
Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines nachgebauten Influenzavirus von 1918

Eine Pandemie ist eine weltweite Epidemie . Die Grippepandemie von 1918 , die bis 1919 andauerte, war eine Grippepandemie der Kategorie 5, die durch ein ungewöhnlich schweres und tödliches Influenza-A-Virus verursacht wurde. Die Opfer waren oft gesunde junge Erwachsene, im Gegensatz zu den meisten Grippeausbrüchen, von denen hauptsächlich jugendliche, ältere oder anderweitig geschwächte Patienten betroffen sind. Ältere Schätzungen sagen, dass es 40 bis 50 Millionen Menschen tötete, während neuere Forschungen darauf hindeuten, dass es 1918 bis zu 100 Millionen Menschen oder 5 % der Weltbevölkerung getötet haben könnte.

gestorben sind. Damit ist es eine der zerstörerischsten Epidemien in der aufgezeichneten Geschichte. 2007 gab es 2,7 Millionen HIV-Neuinfektionen und 2 Millionen HIV-bedingte Todesfälle.

Ebola- (oben) und Marburg-Viren (unten)
2013–2016 .

Mit Ausnahme der Pocken werden die meisten Pandemien durch neu entwickelte Viren verursacht. Diese "emergenten" Viren sind normalerweise Mutanten weniger schädlicher Viren, die zuvor entweder bei Menschen oder anderen Tieren zirkulierten.

Das schwere akute respiratorische Syndrom ( SARS ) und das Middle East Respiratory Syndrome (MERS) werden durch neuartige Coronaviren verursacht . Es ist bekannt, dass andere Coronaviren beim Menschen leichte Infektionen verursachen, so dass die Virulenz und schnelle Ausbreitung von SARS-Infektionen – die bis Juli 2003 rund 8.000 Fälle und 800 Todesfälle verursacht hatten – unerwartet war und die meisten Länder nicht vorbereitet waren.

Ein verwandtes Coronavirus trat im November 2019 in Wuhan , China, auf und verbreitete sich schnell auf der ganzen Welt. Angeblich von Fledermäusen stammend und später als schweres akutes Atemwegssyndrom Coronavirus 2 bezeichnet , verursachten Infektionen mit dem Virus im Jahr 2020 eine Pandemie . In Friedenszeiten wurden beispiellose Beschränkungen für den internationalen Reiseverkehr auferlegt und in mehreren Großstädten weltweit Ausgangssperren verhängt.

Krebs

Viren sind eine etablierte Ursache von Krebs bei Menschen und anderen Spezies. Viruskrebse treten nur bei einer Minderheit der infizierten Personen (oder Tiere) auf. Krebsviren stammen aus einer Reihe von Virusfamilien, die sowohl RNA- als auch DNA-Viren umfassen, und daher gibt es keinen einzigen Typ von " Oncovirus " (ein veralteter Begriff, der ursprünglich für akut transformierende Retroviren verwendet wurde). Die Entstehung von Krebs wird durch eine Vielzahl von Faktoren wie die Immunität des Wirts und Mutationen im Wirt bestimmt. Zu den Viren, die als Verursacher von Krebs beim Menschen anerkannt werden, gehören einige Genotypen des humanen Papillomavirus , des Hepatitis-B-Virus , des Hepatitis-C-Virus , des Epstein-Barr-Virus , des Kaposi-Sarkom-assoziierten Herpesvirus und des humanen T-lymphotropen Virus . Das zuletzt entdeckte humane Krebsvirus ist ein Polyomavirus ( Merkelzell-Polyomavirus ), das die meisten Fälle einer seltenen Form von Hautkrebs namens Merkelzellkarzinom verursacht . Hepatitisviren können sich zu einer chronischen Virusinfektion entwickeln, die zu Leberkrebs führt . Eine Infektion durch das humane T-lymphotrope Virus kann zu tropischer spastischer Paraparese und adulter T-Zell-Leukämie führen . Humane Papillomaviren sind eine etablierte Ursache von Krebserkrankungen des Gebärmutterhalses , der Haut, des Anus und des Penis . Innerhalb der Herpesviridae , Kaposi-Sarkom-assoziierten Herpesvirus verursacht Kaposi-Sarkom und Leibeshöhle Lymphom , und Epstein-Barr - Virus verursacht Burkitt-Lymphom , Hodgkin-Lymphom , B - lymphoproliferativen Störung , und Nasen - Rachen - Karzinom . Das Merkelzell-Polyomavirus ist eng verwandt mit SV40 und Maus-Polyomaviren, die seit über 50 Jahren als Tiermodelle für Krebsviren verwendet werden.

Abwehrmechanismen des Wirts

Die erste Verteidigungslinie des Körpers gegen Viren ist das angeborene Immunsystem . Dies umfasst Zellen und andere Mechanismen, die den Wirt unspezifisch vor einer Infektion schützen. Dies bedeutet, dass die Zellen des angeborenen Systems Krankheitserreger auf generische Weise erkennen und darauf reagieren, aber im Gegensatz zum adaptiven Immunsystem verleiht es dem Wirt keine lang anhaltende oder schützende Immunität.

RNA-Interferenz ist eine wichtige angeborene Abwehr gegen Viren. Viele Viren haben eine Replikationsstrategie, die doppelsträngige RNA (dsRNA) beinhaltet. Wenn ein solches Virus eine Zelle infiziert, setzt es sein RNA-Molekül oder seine RNA-Moleküle frei, die sich sofort an einen Proteinkomplex namens Dicer binden , der die RNA in kleinere Stücke schneidet. Ein biochemischer Stoffwechselweg – der RISC-Komplex – wird aktiviert, der das Überleben der Zellen durch den Abbau der viralen mRNA sichert. Rotaviren haben sich entwickelt, um diesen Abwehrmechanismus zu umgehen, indem sie sich innerhalb der Zelle nicht vollständig enthüllen und neu produzierte mRNA durch Poren im inneren Kapsid des Partikels freisetzen. Ihre genomische dsRNA bleibt im Kern des Virions geschützt.

Wenn das adaptive Immunsystem eines Wirbeltiers auf ein Virus stößt, produziert es spezifische Antikörper , die an das Virus binden und es oft nicht infektiös machen. Dies wird als humorale Immunität bezeichnet . Zwei Arten von Antikörpern sind wichtig. Das erste, IgM genannt , ist hochwirksam bei der Neutralisierung von Viren, wird aber nur für einige Wochen von den Zellen des Immunsystems produziert. Das zweite, IgG genannt , wird auf unbestimmte Zeit produziert. Das Vorhandensein von IgM im Blut des Wirts wird verwendet, um auf eine akute Infektion zu testen, während IgG auf eine Infektion in der Vergangenheit hinweist. IgG-Antikörper werden gemessen, wenn Immunitätstests durchgeführt werden.

.

Zwei kugelförmige Rotavirus-Partikel, von denen einer mit Antikörper beschichtet ist, der wie viele kleine Vögel aussieht, regelmäßig auf der Oberfläche des Virus verteilt
Zwei Rotaviren : Das rechte ist mit Antikörpern beschichtet, die seine Anheftung an Zellen und deren Infektion verhindern.

Eine zweite Abwehr von Vertebraten gegen Viren wird als zellvermittelte Immunität bezeichnet und umfasst Immunzellen, die als T-Zellen bekannt sind . Die Körperzellen zeigen ständig kurze Fragmente ihrer Proteine ​​auf der Zelloberfläche, und wenn eine T-Zelle dort ein verdächtiges Virusfragment erkennt, wird die Wirtszelle von „Killer-T“-Zellen zerstört und die virusspezifischen T-Zellen vermehren sich. Zellen wie der Makrophage sind Spezialisten für diese Antigenpräsentation . Die Produktion von Interferon ist ein wichtiger Abwehrmechanismus des Wirts. Dies ist ein Hormon, das der Körper produziert, wenn Viren vorhanden sind. Seine Rolle bei der Immunität ist komplex; es stoppt schließlich die Vermehrung der Viren, indem es die infizierte Zelle und ihre nächsten Nachbarn tötet.

Nicht alle Virusinfektionen erzeugen auf diese Weise eine schützende Immunantwort. HIV entzieht sich dem Immunsystem, indem es die Aminosäuresequenz der Proteine ​​auf der Oberfläche des Virions ständig verändert. Dies ist als "Escape-Mutation" bekannt, da die viralen Epitope der Erkennung durch die Immunantwort des Wirts entgehen. Diese persistenten Viren entziehen sich der Immunkontrolle durch Sequestrierung, Blockade der Antigenpräsentation , Zytokinresistenz , Umgehung natürlicher Killerzellaktivitäten , Flucht vor der Apoptose und Antigenverschiebung . Andere Viren , sogenannte neurotrope Viren , werden durch neurale Ausbreitung verbreitet , wo das Immunsystem sie aufgrund von Immunprivilegien möglicherweise nicht erreichen kann .

Prävention und Behandlung

Da Viren lebenswichtige Stoffwechselwege innerhalb der Wirtszellen nutzen, um sich zu replizieren, sind sie ohne den Einsatz von Medikamenten, die im Allgemeinen toxische Wirkungen auf die Wirtszellen haben, schwer zu eliminieren. Die wirksamsten medizinischen Ansätze bei Viruserkrankungen sind Impfungen , um Immunität gegen Infektionen zu verleihen, und antivirale Medikamente , die selektiv die Virusreplikation stören.

Impfungen

, ein abgeschwächter Lebendstamm namens 17D, ist wahrscheinlich der sicherste und wirksamste Impfstoff, der jemals hergestellt wurde.

Antivirale Medikamente

Die Struktur der DNA-Base Guanosin und des antiviralen Wirkstoffs Aciclovir

Antivirale Medikamente sind oft Nukleosid-Analoga (gefälschte DNA-Bausteine), die Viren während der Replikation fälschlicherweise in ihr Genom einbauen. Der Lebenszyklus des Virus wird dann angehalten, weil die neu synthetisierte DNA inaktiv ist. Dies liegt daran, dass diesen Analoga die Hydroxylgruppen fehlen , die zusammen mit Phosphoratomen miteinander verbunden sind, um das starke "Rückgrat" des DNA-Moleküls zu bilden. Dies wird als DNA- Kettenabbruch bezeichnet . Beispiele für Nukleosidanaloga sind Aciclovir bei Herpes-simplex-Virusinfektionen und Lamivudin bei HIV- und Hepatitis-B-Virusinfektionen. Aciclovir ist eines der ältesten und am häufigsten verschriebenen antiviralen Medikamente. Andere gebräuchliche antivirale Medikamente zielen auf verschiedene Phasen des viralen Lebenszyklus ab. HIV ist von einem proteolytischen Enzym namens HIV-1-Protease abhängig , damit es vollständig infektiös wird. Es gibt eine große Klasse von Medikamenten, die als Protease-Inhibitoren bezeichnet werden und dieses Enzym inaktivieren. Es gibt ungefähr dreizehn Klassen antiviraler Medikamente, die jeweils auf verschiedene Viren oder Stadien der Virusreplikation abzielen.

des Hepatitis-B-Virus unter Verwendung ähnlicher Strategien, die Lamivudin und andere antivirale Medikamente umfassen, wurde entwickelt.

Infektion bei anderen Spezies

Viren infizieren das gesamte Zellleben, und obwohl Viren universell vorkommen, hat jede Zellart ihr eigenes spezifisches Verbreitungsgebiet, das oft nur diese Art infiziert. Einige Viren, Satelliten genannt , können sich nur innerhalb von Zellen replizieren, die bereits von einem anderen Virus infiziert wurden.

Tierische Viren

Viren sind wichtige Krankheitserreger von Nutztieren. Krankheiten wie Maul- und Klauenseuche und Blauzungenkrankheit werden durch Viren verursacht. Begleittiere wie Katzen, Hunde und Pferde sind, wenn sie nicht geimpft sind, anfällig für schwere Virusinfektionen. Das canine Parvovirus wird durch ein kleines DNA-Virus verursacht und Infektionen verlaufen bei Welpen oft tödlich. Wie alle Wirbellosen ist die Honigbiene anfällig für viele Virusinfektionen. Die meisten Viren koexistieren in ihrem Wirt harmlos und verursachen keine Anzeichen oder Symptome einer Krankheit.

Pflanzenviren

Paprika mit mildem Mottle-Virus infiziert

Es gibt viele Arten von Pflanzenviren, aber oft verursachen sie nur einen Ertragsverlust , und es ist wirtschaftlich nicht vertretbar, sie zu bekämpfen. Pflanzenviren werden oft durch Organismen, sogenannte Vektoren, von Pflanze zu Pflanze übertragen . Dies sind normalerweise Insekten, aber einige Pilze, Fadenwürmer und einzellige Organismen sind Vektoren. Wenn die Bekämpfung von Pflanzenvirusinfektionen als wirtschaftlich betrachtet wird, konzentrieren sich die Bemühungen beispielsweise bei mehrjährigen Früchten darauf, die Vektoren abzutöten und alternative Wirte wie Unkräuter zu entfernen. Pflanzenviren können Menschen und andere Tiere nicht infizieren, da sie sich nur in lebenden Pflanzenzellen vermehren können.

Die ursprünglich aus Peru stammende Kartoffel ist weltweit zu einem Grundnahrungsmittel geworden. Das Kartoffelvirus Y verursacht Krankheiten bei Kartoffeln und verwandten Arten, einschließlich Tomaten und Paprika. In den 1980er Jahren erlangte dieses Virus wirtschaftliche Bedeutung, als es sich bei Saatkartoffelkulturen als schwierig zu bekämpfen erwies. Dieses Virus wird von Blattläusen übertragen und kann die Ernteerträge um bis zu 80 Prozent reduzieren, was zu erheblichen Ertragsverlusten bei Kartoffeln führt.

Pflanzen verfügen über ausgeklügelte und wirksame Abwehrmechanismen gegen Viren. Eine der wirksamsten ist das Vorhandensein sogenannter Resistenz(R)-Gene. Jedes R-Gen verleiht Resistenz gegen ein bestimmtes Virus, indem es um die infizierte Zelle lokalisierte Bereiche des Zelltods auslöst, die oft mit bloßem Auge als große Flecken zu sehen sind. Dadurch wird die Ausbreitung der Infektion verhindert. RNA-Interferenz ist auch eine wirksame Abwehr in Pflanzen. Wenn sie infiziert sind, produzieren Pflanzen oft natürliche Desinfektionsmittel, die Viren wie Salicylsäure , Stickstoffmonoxid und reaktive Sauerstoffmoleküle abtöten .

Pflanzenviruspartikel oder virusähnliche Partikel (VLPs) haben Anwendungen sowohl in der Biotechnologie als auch in der Nanotechnologie . Die Kapside der meisten Pflanzenviren sind einfache und robuste Strukturen und können entweder durch Infektion von Pflanzen oder durch Expression in einer Vielzahl von heterologen Systemen in großen Mengen hergestellt werden. Pflanzenviruspartikel können genetisch und chemisch modifiziert werden, um Fremdmaterial einzukapseln, und können zur Verwendung in der Biotechnologie in supramolekulare Strukturen eingebaut werden.

Bakterielle Viren

Eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die einen Teil eines Bakteriums zeigt, das mit Viren bedeckt ist
Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme mehrerer Bakteriophagen, die an einer bakteriellen Zellwand befestigt sind

Bakteriophagen sind eine häufige und vielfältige Gruppe von Viren und die am häufigsten vorkommenden biologischen Einheiten in aquatischen Umgebungen – es gibt bis zu zehnmal mehr dieser Viren in den Ozeanen als Bakterien und erreichen eine Konzentration von 250.000.000 Bakteriophagen pro Milliliter Meerwasser. Diese Viren infizieren bestimmte Bakterien, indem sie an Oberflächenrezeptormoleküle binden und dann in die Zelle eindringen. Innerhalb kurzer Zeit, in einigen Fällen sogar nur Minuten, beginnt die bakterielle Polymerase, virale mRNA in Protein zu übersetzen. Diese Proteine ​​werden entweder zu neuen Virionen innerhalb der Zelle, zu Helferproteinen, die den Aufbau neuer Virionen unterstützen, oder zu Proteinen, die an der Zelllyse beteiligt sind. Virale Enzyme helfen beim Abbau der Zellmembran, und im Fall des T4- Phagen könnten in etwas mehr als zwanzig Minuten nach der Injektion über 300 Phagen freigesetzt werden.

gegen Infektionen.

Archaeenviren

Einige Viren replizieren innerhalb von Archaeen : Dies sind DNA-Viren mit ungewöhnlichen und manchmal einzigartigen Formen. Diese Viren wurden in den thermophilen Archaeen am genauesten untersucht , insbesondere in den Ordnungen Sulfolobales und Thermoproteales . Abwehrmaßnahmen gegen diese Viren beinhalten RNA-Interferenz von sich wiederholenden DNA- Sequenzen innerhalb archaischer Genome, die mit den Genen der Viren verwandt sind. Die meisten Archaeen haben CRISPR-Cas-Systeme als adaptive Abwehr gegen Viren. Diese ermöglichen es Archaeen, Abschnitte viraler DNA zurückzuhalten, die dann verwendet werden, um nachfolgende Infektionen durch das Virus mithilfe eines der RNA-Interferenz ähnlichen Prozesses zu bekämpfen und zu eliminieren.

Rolle in aquatischen Ökosystemen

Viren sind die am häufigsten vorkommenden biologischen Einheiten in Gewässern. Etwa zehn Millionen davon sind in einem Teelöffel Meerwasser enthalten. Die meisten dieser Viren sind Bakteriophagen , die heterotrophe Bakterien infizieren, und Cyanophagen , die Cyanobakterien infizieren, und sie sind für die Regulierung von Salz- und Süßwasserökosystemen unerlässlich. Bakteriophagen sind unschädlich für Pflanzen und Tiere, und sind für die Regulierung der Meeres- und Süßwasserökosysteme wichtige Mortalitätsmittel sind wesentlich Phytoplankton , die Basis der Nahrungskette in Gewässern. Sie infizieren und zerstören Bakterien in aquatischen mikrobiellen Gemeinschaften und sind einer der wichtigsten Mechanismen für das Recycling von Kohlenstoff und Nährstoffkreisläufen in der Meeresumwelt. Die von den abgestorbenen Bakterienzellen freigesetzten organischen Moleküle stimulieren das Wachstum neuer Bakterien und Algen in einem Prozess, der als viraler Shunt bekannt ist . Insbesondere hat sich gezeigt, dass die Lyse von Bakterien durch Viren den Stickstoffkreislauf verbessert und das Phytoplanktonwachstum stimuliert. Viral - Aktivität kann auch Auswirkungen auf die biologische Pumpe , das Verfahren , bei dem Kohlenstoff wird sequestriert in der Tiefsee.

Mikroorganismen machen mehr als 90 % der Biomasse im Meer aus. Es wird geschätzt, dass Viren täglich etwa 20 % dieser Biomasse abtöten und es in den Ozeanen 10 bis 15 Mal so viele Viren gibt wie Bakterien und Archaeen. Viren sind auch Hauptverursacher der Zerstörung von Phytoplankton einschließlich schädlicher Algenblüten . Die Zahl der Viren in den Ozeanen nimmt weiter vor der Küste und tiefer ins Wasser ab, wo es weniger Wirtsorganismen gibt.

Im Januar 2018 berichteten die Wissenschaftler , dass 800 Millionen Viren, vor allem marinen Ursprungs, werden täglich von der abgelagerte Erde

‚s
Atmosphäre auf jeden Quadratmeter der Oberfläche des Planeten, als das Ergebnis eines globalen atmosphärischen Strom von Viren, über dem Wettersystem zirkulierende aber unterhalb der Höhe üblicher Flugreisen, wodurch Viren auf der ganzen Welt verbreitet werden.

Wie jeder Organismus sind Meeressäuger anfällig für Virusinfektionen. 1988 und 2002 wurden in Europa Tausende von Seehunden durch das Phozinische Staupevirus getötet . Viele andere Viren, einschließlich Caliciviren , Herpesviren , Adenoviren und Parvoviren , zirkulieren in Meeressäugerpopulationen.

Rolle in der Evolution

Viren sind ein wichtiges natürliches Mittel, um Gene zwischen verschiedenen Arten zu übertragen, was die genetische Vielfalt erhöht und die Evolution vorantreibt. Es wird angenommen, dass Viren eine zentrale Rolle in der frühen Evolution gespielt haben, bevor sich der letzte universelle gemeinsame Vorfahre in Bakterien, Archaeen und Eukaryoten diversifizierte . Viren sind immer noch eines der größten Reservoirs unerforschter genetischer Vielfalt auf der Erde.

Anwendungen

Biowissenschaften und Medizin

Viren sind wichtig für das Studium der Molekular- und Zellbiologie, da sie einfache Systeme zur Verfügung stellen, mit denen die Funktionen von Zellen manipuliert und untersucht werden können. Das Studium und die Verwendung von Viren haben wertvolle Informationen über Aspekte der Zellbiologie geliefert. Viren waren beispielsweise bei der Erforschung der Genetik nützlich und halfen unserem Verständnis der grundlegenden Mechanismen der Molekulargenetik , wie DNA-Replikation , Transkription , RNA-Verarbeitung , Translation , Proteintransport und Immunologie .

Genetiker verwenden oft Viren als Vektoren , um Gene in Zellen einzuführen, die sie untersuchen. Dies ist nützlich, um die Zelle dazu zu bringen, eine fremde Substanz zu produzieren, oder um die Wirkung der Einführung eines neuen Gens in das Genom zu untersuchen. In ähnlicher Weise verwendet die Virotherapie Viren als Vektoren zur Behandlung verschiedener Krankheiten, da sie spezifisch auf Zellen und DNA abzielen können. Es zeigt einen vielversprechenden Einsatz bei der Behandlung von Krebs und in der Gentherapie . Osteuropäische Wissenschaftler setzen die Phagentherapie seit einiger Zeit als Alternative zu Antibiotika ein, und das Interesse an diesem Ansatz steigt aufgrund der hohen Antibiotikaresistenz, die heute bei einigen pathogenen Bakterien gefunden wird. Die Expression von heterologen Proteinen von Viren ist die Grundlage mehrerer Herstellungsprozesse , die derzeit für die Herstellung von verschiedenen Proteinen wie Impfstoff verwendet werden, um Antigene und Antikörper. In jüngster Zeit wurden industrielle Verfahren unter Verwendung viraler Vektoren entwickelt und mehrere pharmazeutische Proteine ​​befinden sich derzeit in präklinischen und klinischen Studien.

Virotherapie

Bei der Virotherapie werden genetisch veränderte Viren zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt. Viren wurden von Wissenschaftlern so modifiziert, dass sie sich in Krebszellen vermehren und diese zerstören, aber keine gesunden Zellen infizieren. Talimogene laherparepvec (T-VEC) zum Beispiel ist ein modifiziertes Herpes-Simplex-Virus , bei dem ein Gen, das für die Vermehrung von Viren in gesunden Zellen erforderlich ist, entfernt und durch ein menschliches Gen ( GM-CSF ) ersetzt wurde, das die Immunität stimuliert. Wenn dieses Virus Krebszellen infiziert, zerstört es sie, und dabei zieht das GM-CSF-Gen dendritische Zellen aus dem umliegenden Gewebe des Körpers an. Die dendritischen Zellen verarbeiten die abgestorbenen Krebszellen und präsentieren ihre Bestandteile anderen Zellen des Immunsystems . Nach erfolgreichen klinischen Studien erhielt das Virus Ende 2015 die Zulassung zur Behandlung von Melanomen . Viren, die umprogrammiert wurden, um Krebszellen abzutöten, werden als onkolytische Viren bezeichnet .

Materialwissenschaft und Nanotechnologie

Aktuelle Trends in der Nanotechnologie versprechen einen viel vielseitigeren Einsatz von Viren. Aus Sicht eines Materialwissenschaftlers können Viren als organische Nanopartikel betrachtet werden. Ihre Oberfläche trägt spezifische Werkzeuge, die es ihnen ermöglichen, die Barrieren ihrer Wirtszellen zu überwinden. Größe und Form von Viren sowie Anzahl und Art der funktionellen Gruppen auf ihrer Oberfläche sind genau definiert. Daher werden Viren in der Materialwissenschaft häufig als Gerüste für kovalent verknüpfte Oberflächenmodifikationen verwendet. Eine besondere Eigenschaft von Viren besteht darin, dass sie durch gerichtete Evolution maßgeschneidert werden können. Die leistungsstarken Techniken der Lebenswissenschaften werden zur Grundlage ingenieurwissenschaftlicher Ansätze für Nanomaterialien und eröffnen ein breites Anwendungsspektrum weit über Biologie und Medizin hinaus.

Wegen ihrer Größe, Form und genau definierten chemischen Strukturen wurden Viren als Vorlagen für die Organisation von Materialien auf der Nanoskala verwendet. Jüngste Beispiele sind Arbeiten am Naval Research Laboratory in Washington, DC, bei denen Partikel des Cowpea-Mosaikvirus (CPMV) verwendet wurden, um Signale in DNA-Mikroarray- basierten Sensoren zu verstärken . In dieser Anwendung trennen die Viruspartikel die Fluoreszenzfarbstoffe , die für die Signalübertragung verwendet werden, um die Bildung von nicht fluoreszierenden Dimeren zu verhindern , die als Quencher fungieren . Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung von CPMV als nanoskaliges Steckbrett für die molekulare Elektronik.

Synthetische Viren

Viele Viren können de novo ("von Grund auf") synthetisiert werden. Das erste synthetische Virus wurde 2002 entwickelt. Obwohl es ein Irrglaube ist, wird nicht das eigentliche Virus synthetisiert, sondern sein DNA-Genom (im Falle eines DNA-Virus) oder eine cDNA- Kopie seines Genoms (im Falle von RNA-Viren). Für viele Virusfamilien ist die nackte synthetische DNA oder RNA (die einmal enzymatisch von der synthetischen cDNA zurückgewandelt wurde) infektiös, wenn sie in eine Zelle eingeführt wird. Das heißt, sie enthalten alle notwendigen Informationen, um neue Viren zu produzieren. Diese Technologie wird nun verwendet, um neuartige Impfstoffstrategien zu untersuchen. Die Fähigkeit, Viren zu synthetisieren, hat weitreichende Konsequenzen, da Viren nicht mehr als ausgestorben gelten können, solange die Information über ihre Genomsequenz bekannt ist und permissive Zellen verfügbar sind. Ab Juni 2021 sind die Genomsequenzen von 11.464 verschiedenen Viren, einschließlich Pocken, in voller Länge in einer Online-Datenbank der National Institutes of Health öffentlich zugänglich .

Waffen

in den Vereinigten Staaten. Es kann als Waffe eingesetzt werden, da der Impfstoff gegen Pocken manchmal schwere Nebenwirkungen hatte, wird er in keinem Land mehr routinemäßig eingesetzt. Daher hat ein Großteil der modernen menschlichen Bevölkerung fast keine etablierte Resistenz gegen Pocken und wäre anfällig für das Virus.

Siehe auch

Verweise

Anmerkungen

Literaturverzeichnis

  • Collier L, Balows A, Sussman M (1998). Mahy B, Collier LA (Hrsg.). Topley und Wilsons Mikrobiologie und mikrobielle Infektionen . Virologie. 1 (Neunte Aufl.). ISBN 0-340-66316-2.
  • Dimmock NJ, Easton AJ, Leppard K (2007). Einführung in die moderne Virologie (Sechste Aufl.). Blackwell-Publishing. ISBN 978-1-4051-3645-7.
  • Knipe DM, Howley PM, Griffin DE, Lamb RA, Martin MA, Roizman B, Straus SE (2007). Felder Virologie . Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-0-7817-6060-7.

Krasner, Robert (2014). Die mikrobielle Herausforderung: eine öffentliche Gesundheitsperspektive . Burlington, Massachusetts: Jones & Bartlett Lernen. ISBN 978-1-4496-7375-8. OCLC-  794228026 .

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  • Medien im Zusammenhang mit Viren bei Wikimedia Commons
  • Daten zu Viren bei Wikispecies
  • ViralZone Eine Ressource des Schweizerischen Instituts für Bioinformatik für alle Virusfamilien mit allgemeinen molekularen und epidemiologischen Informationen