VO 10 Mikrobiologie - Teil Virologie 2024 PDF

VO 10 VO Mikrobiologie Teil Virologie Assoz. Prof. Dr. Iris Gratz FB Biowissenschaften und Medizinische Biologie Iris Gratz 1 Inhalte Grundlagen und Virusstruktur Virusreplikation Vielfalt der Viren – Beispiele Virale Erkrankungen –...

VO 10 VO Mikrobiologie Teil Virologie Assoz. Prof. Dr. Iris Gratz FB Biowissenschaften und Medizinische Biologie Iris Gratz 1 Inhalte Grundlagen und Virusstruktur Virusreplikation Vielfalt der Viren – Beispiele Virale Erkrankungen – Beispiele Pandemien (inkl. Covid19) Abwehr und Medikamente Viren und Evolution Lehrbücher Brock MIKROBIOLOGIE M.T. Madigan, J.M. Martinko, D.A. Stahl, D.P. Clark (Verständnis-Fragen am Ende der Kapitel anschauen!) Medizinische Virologie: Grundlagen, Diagnostik, Prävention und Therapie viraler Erkrankungen Hans W. Doerr und Wolfram Gerlich Dieses Buch finden Sie als pdf auf Blackboard Microbiology Jacquelyn G. Black Lehrbuch Gerlich – pdf auf Blackboard Sowie selektierte wissenschaftliche Artikel – werden via Blackboard mit Ihnen geteilt Iris Gratz 4  ! Anmerkung Vorlesungsinhalte primär von den genannten Lehrbücher Abbildungen aus rechtlichen Gründen primär von open access Quellen wie z.B. Wikipedia Speziell wichtige slides sind mit einem “!” markiert Iris Gratz VO Mikrobiologie – Teil Virologie 5  Virale Erkrankungen Medizinische Relevanz Wirtschaftliche Relevanz Landwirtschaft … Starke treibende Rolle in der Evolution https://www.researchgate.net/publication/5344664_Temporal_tr ends_in_the_discovery_of_human_viruses/figures?lo=1  Geschichte der Virologie Geschichtliche Berichte von Seuchen in Asien und Ägypten vor 3000 Jahren Mumie von Pharao Ramses V Hinweise auf Pockennarben Damals bekannt Überlebende sind vor Re-Infektion geschützt 1796: Eward Jenner experimentelle Pocken-Impfung  Edward Jenner – “Erfinder” der Impfung Beobachtung: Menschen, die die (ungefährlichen) Kuhpocken hatten, erkrankten nicht, wenn Sie mit den echten Pocken infiziert wurden (z.B. Variolation) Hypothese: Inokulation mit Kuhpocken schützt ähnlich wie durschtandene Pocken Ansatz (1796): Material von einer Kuhpockenpustel einer Milchmagd isoliert  Einem 8-jährigen Jungen injiziert 6 Wochen später: bewusste Infektion mit echten Pocken (Variolation)  Der Junge war immune –> weitere Kinder folgten mit gleichem Ergebnis  Impfung (Vaccination, Vakzination) war somit etabliert  Jenner verzichtete auf Patent, damit Impfstoff billig bleiben würde Ab 19 Jhdt in meisten Ländern Impfpflicht 1980 wurden Pocken durch ein weltweites Impfprogram ausgelöscht Inhalte Grundlagen und Virusstruktur Virusreplikation Vielfalt der Viren – Beispiele Virale Erkrankungen – Beispiele Pandemien Abwehr und Medikamente Viren und Evolution  ! Viren Können alle drei Domänen des zellulären Lebens infizieren Archaea Bacteria Eukaryota Viren sind spezialisiert auf Wirt die meisten Viren sind sehr spezifisch für einen bis wenige Wirts-Spezies Sind für Replikation (Vermehrung) auf Wirt angewiesen Viren besitzen keinen Stoffwechsel, keine Biosynthese, sind keine Zellen Viren besitzen nicht alle Kennzeichen von Leben Allgemeine Eigenschaften von Viren Viren besitzen ein Genom (= Erbinformation) Für die Replikation sind Viren auf Wirtszellen angewiesen Viren müssen in Wirtszellen eindringen Zwei Existenz-Zustände Extrazellulär: als Viruspartikel (= Virion) das von der Wirtszelle ausgeschleust wird Virion: Nukleinsäure + “Verpackung” (Proteine, manchmal Lipidhülle, andere Makromoleküle) Intrazellulär: als Nukleinsäure in der Wirtszelle Während Replikation von Genom und Protein-Synthese  ! Inerhalb und ausserhalb der Wirtszelle Extrazellulär => Genom verpackt Intrazellulär => Genom wird vermehrt; Proteine werden produziert (Translation) Extrazellulär => Genom verpackt https://www.magazinescience.com/en/biology/replication-cycle-of-viruses/?print=print Iris Gratz VO Mikrobiologie – Teil Virologie 12 Genom – Unterschied zu Zellen Zellen: doppelsträngige (ds) DNA Viren: äusserst divers RNA oder DNA ds oder ss (einzelsträngig) Linear oder ringförmig  ! Virale Genome Trotzdem gilt: Nucleinsäure -> Protein Die Tranlationsmaschine des Wirts wird genutzt  Herstellung von mRNA ist notwendig für Produktion viraler Proteine  ! Virale Genome Wirte Bakterien: Viren heißen Bakteriophagen Eukaryoten: Tierische Viren Pflanzenviren Taxonomie Nach Wirt Nach Morphologie des Viruspartikels (Virion) Nach Genom-Art Die Genomart hat nichts mit Wirtspezies zu tun Mensch Bacteriophage T4 No E. coli (genome = mRNA sequence) SARS-CoV-2 Yes Mensch, Zibetkatze Mensch, Vögel,… http://www.web-books.com/MoBio/Free/Ch1E2.htm Fragen Worin unterscheidet sich ein Virus von einem Plasmid? Worin unterscheidet sich ein Virus von einer Zelle? Was ist ein Bakteriophage? Warum braucht ein Virus eine Wirtszelle?  Pingo in VO Virionen Größe: klein, 20-300 nm (also meist kleiner als prokayotische Zellen) Virionen Größe: klein, 20-300 nm (also meist kleiner als prokayotische Zellen) Bild: de.wikipedia.org/wiki/Tabakmosaikvirus Virionen Größe: klein, 20-300 nm (also meist kleiner als prokayotische Zellen) ▪ Rhinovirus (Schnupfen-Erreger) ▪ Ca 25 nm (= 250 Å) Durchmesser ▪ In eine Wirts-Zelle mit 10μm3 passen 64 Millionen Virionen  ! Virionen Größe: klein, 20-300 nm (also meist kleiner als prokayotische Zellen) Genom: klein, 5000 – 1,2x106 Basen oder bp (wenige Proteine codiert) Vgl: Menschliches Genom ist 3,1x109 bp (ca 23 000 Gene) Struktur: vielfältig Nucleinsäure innerhalb eines Partikels Von Proteinhülle umgeben = Capsid Durch kleines Genom besteht Capsid manchmal nur aus einer Proteinart; aber meist einige, wenige Proteine kombiniert Symmetrische Struktur von Viren Caspomere sind regelmässig im Viruscapsid angeordnet Strukturen: Stäbchenförmig – helikale Symmetrie Rund – ikosaedrische Symmetrie Capsid-Struktur wird von der Struktur der Capsomere bestimmt Caspid - Beispiele Ikosaedrisches Capsid (20-flächig) 60 Capsomere Die kleinste Einheit: 60 Caspomere Nächstgrößte Konfiguration: 180 Capsomere Auch möglich 240 oder 420 Capsomere … https://de.wikipedia.org/wiki/Kapsid#/media/Datei:Kapsid_Schema-01.png https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/Kapsid-Triangulation-02.png https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/50/Kapsid-Triangulation-01.jpg Caspid - Beispiele Ikosaedrisches Capsid (20-flächig) Helikales Capsid Konisches Capsid (HIV-1) https://de.wikipedia.org/wiki/Kapsid#/media/Datei:Kapsid_Schema-01.png https://de.wikipedia.org/wiki/Kapsid#/media/Datei:LMoV-Kapsid.png https://de.wikipedia.org/wiki/Kapsid#/media/Datei:Conic_capsid.png  ! Caspid - Beispiele Ikosaedrisches Capsid (20-flächig) Helikales Capsid Konisches Capsid (HIV-1) https://de.wikipedia.org/wiki/Kapsid#/media/Datei:Kapsid_Schema-01.png https://de.wikipedia.org/wiki/Kapsid#/media/Datei:LMoV-Kapsid.png https://de.wikipedia.org/wiki/Kapsid#/media/Datei:Conic_capsid.png Komplexe Viren Bestehen aus mehreren Teilen Teile mit jeweils eigener Struktur und Symmetrie zB bakterieller Virus Bakteriophage T4 Ikosaedrischer Kopf – helikaler Schwanz Diese Domänen in sich komplexe Strukturen https://viralzone.expasy.org/504?outline=all_by_species Größe der Capside Je mehr Nucleinsäuren verpackt werden müssen, umso größer das Capsid Genomgröße (=> z.T. Anzahl der Gene) definiert Capsidgröße Capsid + Hülle Membran, die Nucleocapsid umgibt zB Influenzavirus, Coronaviren Die Hülle kommt meist von der Wirts-Zellmembran Proteine: viral codierte Proteine (zB Rezeptoren zum Andocken) Lipid-Schicht meist instabiler als Capside ohne Hülle Leichter zu sterilisieren (zB durch Hitze, Austrocknung, Detergens) https://en.wikipedia.org/wiki/Viral_envelope#/media/File:CMVschema.svg  Nakte Viren vs. Viren mit Hülle Virion = Extrazelluläre Form die das Genom enthält Unbehüllte (nakte) Viren: bestehen nur aus ihrem Erbgut (DNA oder RNA) und einer Schicht aus Proteinen, dem Capsid, welches das Erbgut verpackt. Behüllte Viren besitzen zusätzlich noch eine äußere Membran-Hülle. Diese kann verschiedenen Viren ein sehr unterschiedliches Aussehen verleihen. https://www.openscience.or.at/de/wissen/genetik-und-zellbiologie/2020-04-02-viren-freunde-oder-feinde-des-menschen/  Vorteile und Nachteile nakte vs. behüllte Viren Schicksal der Wirtzelle:  nackte Viren zerstören die Wirtszelle beim Verlassen (Lyse)  behüllte Viren können ohne Zerstörung der Zelle freigesetzt werden (z.B. Knospung) Vorteile: Hülle ermöglicht eine leichtere Veränderung seiner Oberfläche  Dies beeinflusst unter anderem Aufnahme in die Wirtszelle  Immunabwehr des Wirtes kann mit Hülle leichter umgangen werden  Anpassung an den Wirt Nachteile: Hülle macht Viren angreifbarer: Die Hülle wird beim Händewaschen durch die in Waschmitteln und Seife enthaltenen Tenside zerstört => das Genom des Virus freigelegt, und dieses ist nicht mehr infektiös https://www.openscience.or.at/de/wissen/genetik-und-zellbiologie/2020-04-02-viren-freunde-oder-feinde-des-menschen/ Virionen - Wiederholung Struktur: vielfältig Nucleinsäure innerhalb eines Partikels (Virion) Von Proteinhülle umgeben = Capsid Durch kleines Genom besteht Capsid manchmal nur aus einer Proteinart; aber meist einige, wenige Proteine kombiniert Protein-Komplexe in wiederholenden Mustern um die Nucleinsäuren angeordnet = Capsomere (kleinste im ElMi sichtbare Einheit) Hüllproteine meist selbst-strukturierend Manche Viren nackt, andere noch von Lipid-Schicht (Hülle) umgeben Inhalte Grundlagen der Virusstruktur Virusreplikation Vielfalt der Viren - Beispiele Virale Erkrankungen – Beispiele Pandemien Abwehr und Medikamente Viren und Evolution  ! Virale Replikation Virale Replikation = Wirtszelle veranlassen alle Virusbestandteile zu synthethisieren 1. Anheften (Adsorption) an Wirtszelle 2. Injektion (Penetration) des gesamten Virions oder seiner Nucleinsäuren 3. Synthese der Nucleinsäuren und Proteine durch den manipulierten Wirt 4. Zusammenbau der Capsomere und Verpacken des Genoms in Virionen = Reifung 5. Freisetzung reifer Virionen (entweder durch Lyse des Wirts oder durch Knospung oder Ausscheidung – je nach Virus)  ! Virale Replikation 1. 5. 2. 4. 3. Eukaryotischer Wirt Prokaryotischer Wirt https://virology-online.com/general/Replication.htm  ! Replikationszyklus: Anheften Hauptgrund für Zellspezifität Virion-Oberflächenmolküle sind spezifisch für Wirtszell-Oberflächenmoleküle = Rezeptoren https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10876934/  ! Replikationszyklus: Anheften Hauptgrund für Zellspezifität Virion-Oberflächenmolküle sind spezifisch für Wirtszell-Oberflächenmoleküle = Rezeptoren Rezeptoren können Proteine, Kohlenhydrate, Glykoproteine, Lipide, Lipoproteine oder deren Komplexe sein Rezeptoren sind normale Oberflächenmolküle mit Funktion für die Zelle zB Moleküle für Zell-Zell-Interaktion, Transmembran-Transporter,… Kann die Wirtszelle ohne das Rezeptor-Molkül auskommen bzw es durch Mutation variieren  Wirt wird resistent gegen Virus  Mögliche Konsequenz: Virus-Veränderungen (durch Mutationen) -> andere Rezeptor-Spezifität wird selektiert https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10876934/ Replikationszyklus: Anheften Rezeptoren häufig Zelltyp-spezifisch (bei mehrzelligen Wirts-Organismen) Gewebespezifität des Virus zB Viren die Halsschmerzen und Schnupfen auslösen, heften nur an Zellen der oberen Atemwegsorgane an Viren, die Husten auslösen, heften an Bronchien oder Lungenepithelien an HIV infiziert Immunzellen => Immunschwäche …  Replikationszyklus: Eindringen Durch das Anheften kommt es zu Veränderungen der Oberfläche von Virion & Wirtszelle zB Endozytose Virus-Genom muss eingeschleust werden Teilweise auch noch Virusproteine, die zur Replikation benötigt werden Replikation in tierischen Zellen häufig im Nucleus Ablegen der Hülle An der Zellmembran, im Cytoplasma, an der Kernmembran Replikationszyklus: Anheften und Eindringen von Bakteriophage T4 (Beispiel) Anheften mittels Schwanzfasern Interaktion mit Polysacchariden von Oberfläche Zusammenziehen der Fasern Capsid Kopf (enthält DNA) Grundplatte setzt auf Lysozym-ähnliches Enzym => Pore Kragen Hülle zieht sich zusammen DNA wird injiziert Schwanz Schwanzstück (Proteinhülle bleibt draussen) Schwanzfasern Grundplatte Spikes https://de.wikipedia.org/wiki/T4-Phage#/media/Datei:PhageExterior.svg Replikationszyklus: Anheften und Eindringen von Bakteriophage T4 (Beispiel) Anheften mittels Schwanzfasern Interaktion mit Polysacchariden von Oberfläche Zusammenziehen der Fasern Grundplatte setzt auf Lysozym-ähnliches Enzym => Pore Hülle zieht sich zusammen DNA wird injiziert (Proteinhülle bleibt draussen) https://www.britannica.com/science/T4-bacteriophage Replikationszyklus: Anheften und Eindringen von Bakteriophage T4 (Beispiel) Anheften mittels Schwanzfasern Interaktion mit Polysacchariden von Oberfläche Zusammenziehen der Fasern Grundplatte setzt auf Lysozym-ähnliches Enzym => Pore Hülle zieht sich zusammen DNA wird injiziert (Proteinhülle bleibt draussen) Bakterielle DNA wird zerstört Neue Bakteriophagen werden gebildet und entlassen Video-Link: Youtube-link https://www.youtube.com/watch?v=uFXuxGuT7H8 Kurzgesagt – In a nutshell: Bakteriphagen Replikationszyklus (sowie deren medizinischer Nutzen) https://www.youtube.com/watch?v=YI3tsmFsrOg https://www.britannica.com/science/T4-bacteriophage  Replikationszyklus: virale Nukleinsäuren David Baltimore Virologe (Nobelpreis 1975) Klassifikation in 7 Klassen – nach viralem Genom und Bildung der mRNA RNA-Viren Retroviren (zB HIV) (+) Synthese durch Wirts-Enzyme Virale Enzyme Virale Enzyme (reverse (RNA-abhängige RNA- Transkriptase) Polymerase) (In jedem Fall wird mRNA produziert und in Protein übersetzt) https://viralzone.expasy.org/254  ! Enzyme von Viren Virionen haben keinen eigenen Metabolismus Aber, wenn notwendig: Enzyme, die für die Infektion bzw den Replikationszyklus wichtig sind zB Lysozym (spaltet Peptidoglycan der bakteriellen Zellwand und schwächt sie dadurch) Virus kann durch entstandenes Loch Nucleinsäure in Wirtszelle injizieren zB Nucleinsäurepolymerasen Zur Replikation des viralen Genoms – Retroviren: RNA Genom wird über DNA- Zwischenprodukt repliziert = Reverse Transkriptase Oder RNA-Polymerase zur Replikation von RNA Genomen Weil: Wirtszellen können keine DNA oder RNA von RNA-Matrize bilden zB Enzyme zur Freisetzung von Virionen (zB Neuraminidasen)  Nukleinsäure-Polymerasen Was ist der Unterschied zwischen Reverse Transkriptase und RNA-abhängigen RNA-Polymerasen?  Matrix ist unterschiedlich zwischen Reverse Transkriptase und RNA- abhängigen RNA-Polymerasen Matrize Produkt DNA Polymerasen (im Wirt vorhanden; nicht viral) DNA DNA RNA Polymerasen (im Wirt vorhanden; nicht viral) DNA RNA RNA-abhängigen RNA-Polymerasen (viral) RNA RNA Reverse Transkriptase (viral) RNA DNA Baltimore Klassifikation - Beispiele Bacteriophage T4 No (genome = mRNA sequence) SARS-CoV-2 Yes http://www.web-books.com/MoBio/Free/Ch1E2.htm Replikationszyklus: virale Proteine mRNA vorhanden Virale Proteine gebildet Frühe Proteine: für Replikation der viralen Nukleinsäuren Enzyme Späte Proteine: Virus-Capsid oder Virushülle Wirtsmetabolismus sekundär oder gar abgebrochen – zugunsten Virionen-Produktion Virale Replikation Freisetzung der Virionen erfolgt oft fast gleichzeitig (d.h. fast alle Virionen als ein Wurf) http://pathologytips-ss777.blogspot.com/2015/02/viral-growth-curve-growth-cycle.html Virionen Freisetzung Wurfgröße = Anzahl freigesetzter Virionen/Wirtszelle Je nach Virus und Wirt sind das Wenige bis Tausende Zeit Bakterielle Viren: 20-60 Minuten Tierische Viren: 8-40 Stunden  ! Virale Replikation - Zusammenfassung 1. Anheften (Attachment) 2. Penetration (Eindringen) 3. Biosynthese (Replikation des Genom) 4. Zusammensetzen (Assembly) Knospung 5. Freisetzung (Release) https://www.openscience.or.at/de/wissen/genetik-und-zellbiologie/2020-04-02-viren-freunde-oder-feinde-des-menschen/ Fragen Unterschied zwischen nakten Viren und Viren mit Hülle? Welche Arten von Enzymen können in den Virionen mancher, spezifischer Viren vorkommen? Was wird in Virionen gepackt? Beschreiben Sie die Schritte der Replikation Durch welche Mechanismen/Merkmale erhalten Viren Wirts- bzw. Zell- Spezifität? Welche Vorgänge laufen während der latenten Phase der viralen Replikation ab? Fragen Warum müssen einige Virentypen im Virion Enzyme enthalten, um mRNA zu bilden? Unterscheiden Sie zwischen einem Positiv-Strang-Virus und einem Negativ-Strang Virus. Sowohl die Positiv-Strang-RNA-Viren als auch die Retroviren enthalten RNA-Genome in Pluskonfiguration. Wie unterscheidet sich die Bildung von mRNA bei diesen beiden Virenklassen?  Wie können wir die produzierten ! Viren quantifizieren? Titer = Zählungseinheit Verschiedene Labormethoden zu Bestimmung des Virus-Titers: Direkt im Mikroskop zählen – mittels ElMi Molekularbiologisch – mittels PCR Funktionell – mittels Infektion von Wirtszellen Wikipedia: „ Der Titer ist ein Maß für die Menge eines Erregers, die gerade noch eine biologische Reaktion hervorruft. Ausgedrückt wird er als die höchste Verdünnungsstufe einer Untersuchungslösung, bei der die Reaktion gerade noch auftritt, oder als deren Kehrwert.  Titer = Volumen der eingesetzten verdünnten Probe × Verdünnungsfaktor  Bestimmung des Virus-Titers (1) Virionen im Elektronenmikroskop zählbar Möglich, aber spezielles Equipment notwendig Besser geeignet, um subzelluläre Lokalisation etc sichtbar zu machen Clin Microbiol Rev, 2009 Oct; 22(4): 552–563, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2772359/  ! Bestimmung des Virus-Titers (2) Genom von Viren mittels PCR quantifizieren Sequenz-spezifische Vermehrung (Amplifikation) von Teilen des Genoms mit (RNA- oder DNA-abhängigen) Polymerasen = Polymerase Chain Reaction (PCR) Erklärung PCR: https://www.youtube.com/watch?v=OwFMJC7SQ_I Quantifikation der PCR Reaktion – Methode quantitative real-time PCR Ein positiver PCR-Test bedeutet nicht zwingend Infektiösität Nur Anwesenheit von Genom  Funktionelle Tests  ! Bestimmung des Virus-Titers (3) Virionen in Suspension funktionell quantifizieren: Wirkung auf Wirt messen Titer = Anzahl infektiöse Einheiten (= Minimum 1 Virion) / Volumen Notiz: Nicht infektiöse Virionen nicht erfasst Geeignet um Desinfektionsmethode zu testen Virus-Plaque assay (analog Bakterienkultur-Ausstrich) Wirtszell-Rasen + Virionen => Lyse und Freisetzung Nachbarzellen werden infiziert und lysiert Lysierte Stellen sind als klare Zonen (= Plaques) sichtbar Plaque-Asay - Bakterienkulturen Bakteriophagen und Bakterien Misch-Kultur Durchgehender dichter Bakterienrasen https://microbeonline.com/phage-plaque-assay-principle-procedure-results/ Plaque-Asay - Bakterienkulturen Bakteriophagen und Bakterien Misch-Kultur Verschiedene Verdünnungen der Bakteriophagen-Suspension auf mehreren Platten 1 Plaque wird ursprünglich von 1 Virion verursacht https://microbeonline.com/phage-plaque-assay-principle-procedure-results/ Plaque-Assay – tierische Zellen Durchgehender (= konfluenter) Zellrasen in der Zellkultur + Virionen Lyse = Freisetzung von Virionen => Lyse von Nachbarzellen => … Färbung der lebenden, adherenten Zellen mit geeignetem Farbstoff zB Methylenblau, Kristallviolett, Neutralrot Ungefärbte Plaques zählen Verdünnungsreihe => Titer Methylenblau-Färbung https://de.wikipedia.org/wiki/Plaque-Assay Iris Gratz VO Mikrobiologie – Teil Virologie 60