VO 13 Virologie Past Paper (2024) PDF

VO Mikrobiologie VO 13 Teil Virologie Assoz. Prof. Dr. Iris Gratz FB Biowissenschaften und Medizinische Biologie Iris Gratz 174 Erkankungen durch tierische RNA-Viren RNA(+)-Viren Coronaviren – Atmungsbeschwerden (zB SARS, SARS-CoV-2)...

VO Mikrobiologie VO 13 Teil Virologie Assoz. Prof. Dr. Iris Gratz FB Biowissenschaften und Medizinische Biologie Iris Gratz 174 Erkankungen durch tierische RNA-Viren RNA(+)-Viren Coronaviren – Atmungsbeschwerden (zB SARS, SARS-CoV-2) Poliovirus Rhinoviren – Erkältung Hepatitis A … Meist klein (ca 30nm); ssRNA RNA(-)-Viren Rhabdoviren (zB Tollwutvirus) Orthomyxoviren (zB Influenzavirus) Ebolavirus Masern … Retroviren (zB HIV)  ! Virale Genome Baltimore Klassifikation - Beispiele Bacteriophage T4 No (genome = mRNA sequence) SARS-CoV-2 Yes http://www.web-books.com/MoBio/Free/Ch1E2.htm Beispiele für Pandemien Zeitraum Krankheit (Erreger) Tote 1889/90 Russische Grippe (mögl. Pferde- Bis zu 1 Mio. Influenza Virus A/H3N8) 1894-1912 Beulen-Pest (ausgehend von China) 12 Mio. 1918-20 Spanische Grippe (Influenza Virus 27-50 Mio. (ca. 500 Mio. A/H1N1) Erkrankte) 1957/58 Asiatische Grippe (Influenza Virus 1-2 Mio. A/H2N2) 1961-90 Cholera Mehrere Mio 1968-70 Hongkong-Grippe (Influenza Virus 1 Mio. A/H3N2) 1977/78 Russische Grippe (Influenza Virus Rund 0,7 Mio. (vornehmlich A/H1N1) Menschen nach 1957 geboren) Seit 1980 AIDS (HIV) 42,3 Mio. (ca 71 – 113 Mio Infizierte) Zahlen laut WHO: https://www.who.int/data/gho/data/themes/hiv-aids Beispiele für Pandemien Zeitraum Krankheit (Erreger) Tote Nov. 2002- Juli SARS (SARS-CoV) Ca. 800 (ca. 8.000 Infizierte) 2003 (erstes SARS CoV) 2009/10 Schweinegrippe (Influenza Virus Mind. 18450 A/H1N1) Seit 2012 MERS (MERS-CoV) Mind. 850 (Arabische Halbinsel) 2017/18 Virusgrippe (Influenza-Virus B/Yam 290.000 – 650.000 und A/H1N1) Seit Nov 2019 COVID-19 (SARS-CoV-2) Bisher 7,07 Mio (ca. 776,6 Mio Infizierte)* HIV und AIDS AIDS = Acquired Immunodeficiency Syndrom Verursacht durch HIV-Infektion HIV = human immunodeficiency virus Charakterisiert durch Immunsuppression mit opportunistischen Infektionen und bösartigen Tumoren, Kräfteverfall (wasting), Degeneration des Zentralnervensystems Pandemie seit den 1980ern (WHO: globale Epidemie) Bisher 71-113 Mio Infizierte und > 42 Mio Tote weltweit Aktuell sind ca 40 Mio HIV+ oder leben mit AIDS In 2023: 1,3 Mio Neuinfektionen und 630 000 Tote 70% in Afrika und 20% in Asien Noch keine Impfung, keine permanente Heilung Aber: gute anti-retrovirale Medikamente Iris Gratz 180 HIV Struktur HIV: Baltimore Gruppe VI Anheften => Zell-Spezifität Oberflächen-Moleküle von Immunzellen T Zellen mit CD4 und CCR5 (Co-Rezeptor) an der Oberfläche Notwendige Enzyme für die Replikation From Cellular and Molecular Immunology 8th edition, Abbas, Lichtman, Pillai Iris Gratz 181  ! HIV Infektion Bindung des Virions an Rezeptor (CD4) und Co-Rezeptoren (CXCR4 oder CCR5) Zellspezifität: HIV infiziert primär CD4+ T Zellen, Makrophagen und DCs CXCR4 CCR5 HIV Varianten: X4 => T Zell-tropisch R5 => Makrophagen-tropisch R5X4 => können beide Chemokin-Rezeptoren binden => beide Zell-Typen infizieren T Zell-tropische Stämme sind mehr virulent Reverse Transkription Integration der dsDNA DNA ist Template für Herstellung der genomischen RNA sowie mRNA=> Proteine Reifung und Freisetzung von neuen Viren (budding) Video: https://www.youtube.com/watch?v=8sipX86JfUw Iris Gratz 182  ! HIV Replikationszyklus Provirus hat Bindungsstelle für NFB und SP1 => downstream von T Zell Aktivierung und Zytokin-Signalling Kann lange latent bleiben From Cellular and Molecular Immunology 8th edition, Abbas, Lichtman, Pillai Iris Gratz 183  ! HIV Replikationszyklus Iris Gratz https://www.niaid.nih.gov/diseases-conditions/hiv-replication-cycle 184 Klinische Phasen der HIV- Infektion Während Latenzzeit werden T Zellen fast so schnell ersetzt, wie sie sterben kaum klinische Symptome, Infektionen noch kein großes Problem From Cellular and Molecular Immunology 8th edition, Abbas, Lichtman, Pillai Iris Gratz 187 Hepatitis B Virus Beispiel für Baltimore Gruppe VII Genom teilweise dsDNA – teilweise ssDNA Zirkuläre DNA im Kern Davon mRNA produziert RNA-Kopie des Genoms Von viraler Polymerase/reverser Transkriptase wieder in DNA-Genom übersetzt Link zu Youtube Video: https://www.youtube.com/watch?v=VaLDGWumrVw Hepatitis B ist nicht prüfungsrelevant Virale Vielfalt Viren der Bacteria Viren der Eukaryoten – ausgewählte Erkrankungen RNA-Viren der Eukaryoten DNA-Viren der Eukaryoten DNA-Viren Beispiele Polyoma- und Papillomavirus Herpesvirus Pockenvirus Adenovirus DNA-Viren Beispiele Polyoma- und Papillomavirus Herpesvirus Pockenvirus Adenovirus Papillomaviren - Erkrankungen Infizieren Epithelzellen Haut: Verursachen Warzen (gutartig) Schleimhaut Genitalbereich Feigwarzen  (Müssen überwacht und chirurgisch entfernt werden) Einige HPV-Typen können Krebs induzieren: Primär sexuell übertragen Gebärmutterhals-Krebs Auch Anal- und Penis-Krebs Oralverkehr: auch Mundtumoren möglich  Humane Papillomaviren Ikosahedrales Capsid dsDNA, zirkulär, ca 8000 bp Nakt (= unbehüllt) Mehr als 100 verschiedene Typen L: Late genes Capsid-Proteine E: Early genes https://www.researchgate.net/publication/29855842 https://de.wikipedia.org/wiki/Humane_Papillomviren#/media/Datei:Papilloma_Virus_(HPV)_EM.jpg  Replikation (1) Replikation im Nukleus während Mitose  Replikationsmaschinerie aktiv http://cysoft.ro/5874-human-papillomavirus-infection-journal-article.php Replikation (2) https://www.researchgate.net/publication/221922588_Human_Papillomavirus_Biology_and_Pathogenesis/figures?lo=1 Replikation (2) Virion-Produktion in differenzierten Zellen  Weitere Teilung induziert, damit Replikation möglich  Teilung differenzierter Zellen  Tumorinduktion Abhängig von Differenzierung der Schleimhaut-Zellen, werden HPV-Gene exprimiert Zirkuläre, extrachromosomale vDNA wird erhalten (ca. 10-50 Kopien/Zelle) https://www.researchgate.net/publication/221922588_Human_Papillomavirus_Biology_and_Pathogenesis/figures?lo=1 HPV Typen Low risk: lösen Feigwarzen aus HPV 6 und 11 (auch 40, 42, 43, 44, 54, 61, 70, 72, 81) High risk: assoziiert mit Zervixkarzinom (auch Peniskarzinom) HPV 16, 18, 31 und 33 (auch 35, 39, 45, 51, 52, 56, 58, 59, 68, 73 und 82) Impfung von Jugendlichen (beider Geschlechter) empfohlen  ! Tumor-Bildung Infektion von epidermalen Schleimhaut-Zellen Tiefer liegende Stammzellen – via kleine Wunden (Micro-Traumata)  Virales Genom episomal erhalten  Nach Zellteilung an Tochter-Zellen weiter gegeben = persistente Infektion Episomal: DNA (dsDNA; ringförgig – ähnlich Plasmid), nicht integriert Replikation passiert gemeinsam mit Wirtsgenom (über Assoziation mit den Chromosomen während Metaphase der Mitose) Episom wird nicht abgebaut (wie normale Plasmide) und auch nicht epigenetisch abgeschalten (= silenced) Warum Tumore?: Proteine E6 und E7 verhindern programmierten Zelltod und blockieren DNA-Reparatur  Deregulierte Zellteilung und Differenzierung Video-Link: https://www.youtube.com/watch?v=WSL8rBMWW1Y Inhalte Grundlagen der Virusstruktur Virusreplikation Vielfalt der Viren - Beispiele Virale Erkrankungen – Beispiele Pandemien Abwehr und Medikamente Viren und Evolution  ! Virusrestriktion Abwehr von Viren Prokaryoten – antivirale Mechanismen (zB CRISPR, Endonucleasen) Eukaryoten – antivirale Mechanismen (zB RNA Interferenz) Tiere – Immunabwehr Viren reagieren auf diese Mechanismen Beide Seiten modifizieren und verbessern sich, um ihre Überlebenschancen/Vermehrungschancen zu erhöhen CRISPR Gerichtet gegen RNA und DNA Viren CRISPR = Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats CRISPR-Region am bakteriellen Genom fungiert als Datenspeicher Feindliche Virussequenzen werden gesammelt Virus-Sequenzen wechseln sich mit Repeats ab Zwei Funktionen von CRISPR-assoziierten Proteinen (CAS-Proteine): Teilstücke von Virengenom sammeln und speichern Virusgenome erkennen und zerstören  CRISPR https://de.wikipedia.org/wiki/CRISPR#/media/Datei:CRISPR-Cas9-Prozess_Pflanzenforschung.de_CC_BY-SA_3.0.png CRISPR Youtube video: https://www.youtube.com/watch?v=MbJ7Hnc2K3Q https://en.wikipedia.org/wiki/CRISPR#/media/File:Crispr.png RNA Interferenz (RNAi) Zelle: dsDNA ssRNA Keine dsRNA RNAi = Verteidigungsmechanismus gegen RNA-Viren Nur bei Eukarya (nicht Bacteria oder Archaea – hier CRISPR) RNAi ausgelöst von dsRNA >20 bp Längere Moleküle werden von DICER in 21-23 bp Teilstücke gespalten RNA-induced silencing complex (RISC) bindet RNA und zerstört ssRNA mit gleicher Sequenz RNAi https://en.wikipedia.org/wiki/RNA-induced_silencing_complex#/media/File:Part_of_the_RNA_interference_pathway_focusing_on_RISC.png  ! Medikamente gegen Viren Wirken häufig auch auf Wirtszellen  Selektive Toxizität schwierig  Spezifische metabolische Wege oder Strukturbausteine angreifen Nucleosid-Analoga (oder Nucleosid Reverse Transcriptase Inhibitors; NRTI) zB Azidothymidin (AZT) – Didesoxyderivat von Thymidin (ohne 3’-OH) Blockiert die virale Reverse Transkriptase  Behandlung von HIV NRTI inhibieren Elongation der viralen Nucleinsäurekette Meist eine gewisse Toxizität für den Wirt Häufig treten Viren auf, die resistent sind  ! Antivirale Medikamente Non-Nucleosid Reverse Transcriptase Inhibitors; NNRTI Zielen direkt auf reverse Transkriptase ab – binden direkt und hemmen zB Phosphonoformiat, ein Pyrophosphat-Analog hemmt Verknüpfung zwischen Nucleotiden  Toxizität auch für Wirt Proteaseinhibitoren für HIV Binden an HIV-Protease  große, virale Polyproteine können nicht mehr gespalten werden  Keine Virion-Reifung Fusionsinhibitor Enufuvirtid: synthethisches Peptid, das an virales gp41 bindet  Fusion von HIV und T-Zellen verhindert = keine Infektion Antivirale Medikamente gegen Influenza Adamantane (Adamatadin, Rimantadin) Synthetische Amine, das Abwerfen der Virushülle verhindern Keine Replikation Schnell Resistenzen Neuraminidase-Inhibitoren Oseltamivir (Tamiflu), Zanamivir (Relenza) Blockieren aktives Zentrum der Neuraminidase von Influenza A und B Keine Virionen-Freisetzung Interferone Kleine Molküle, Familie der Cytokine Werden von infizierten Wirtzellen gebildet Nicht infizierte Nachbarzellen bilden anti-virale Moleküle  Verhindern Replikation Induziert von dsRNA (und anderen Stimuli) Interferone Nachbarzelle: Stoffwechsel gehemmt  Virale Replikation gehemmt https://www.researchgate.net/publication/337020561_STING_A_master_regulator_in_the_cancer-immunity_cycle/figures?lo=1  ! Interferone Kleine Molküle, Familie der Cytokine Werden von infizierten Wirtzellen gebildet Nicht infizierte Nachbarzellen bilden anti-virale Moleküle  Verhindern Replikation Induziert von dsRNA (und anderen Stimuli) Große Mengen an Interferonen in Antwort auf schwach virulente Viren Geringe Mengen an Interferonen in Antwort auf stark virulente Viren Diese hemmen die Wirts Zellproteinsynthese vor Interferonbildung Anwendung von Interferonen Lokal Hohe Konzentrationen Interferon alpha zur Behandlung z.B. von Hepatitis Infektionen Subkutane Injektionen Nebenwirkungen – grippeähnliche Symptome Mittlerweile auch bei einigen Krebsarten (z.B. malignes Melanom, Kaposi Sarkom) Fragen Warum gibt es nur relative wenige wirksame antivirale Wirkstoffe? Warum werden diese Wirkstoffe nicht für häufige Erkrankungen wie Erkältungen eingesetzt? Welche Schritte der viralen Reifung werden durch Nucleosidanaloge gehemmt? Welche durch Proteaseinhibitoren? Welche durch Interferone? Inhalte Grundlagen der Virusstruktur Virusreplikation Vielfalt der Viren - Beispiele Virale Erkrankungen – Beispiele Pandemien Therapien und Medikamente Viren und Evolution Viele Aspekte, wie Viren ihre Wirte beeinflussen Daher hier nur einige wenige Beispiele Notwendig für Evolution: genetische Variation Genetische Variation durch Mutation (Zufällige) Paarung Zufällige Fertilisation Rekombination (zB zwischen homologen Chromosomen während Meiose) Gentransfer – zwischen Mikroben  ! Gentransfer a) Transformation DNA von einer Zelle freigesetzt und von einer anderen aufgenommen b) Transduktion Transfer von Donator-DNA durch ein Virus c) Konjugation Übertragung durch Zell- Zell-Kontakt und ein konjugatives Plasmid https://www2.le.ac.uk/projects/vgec/schoolsandcolleges/Microbial%20Sciences/mutation-and-gene-tranfer Gentransfer Horizontal vs vertikal https://www2.le.ac.uk/projects/vgec/schoolsandcolleges/Microbial%20Sciences/mutation-and-gene-tranfer Was passiert mit der transferierten DNA? 1. Abbau durch Restriktionsenzyme 2. Replikation (wenn eigener Replikationsursprung vorhanden – wie bei Plasmid oder Phagengenom) 3. Rekombination mit dem Wirts-Chromosom Rekombination Physikalischer Austausch von DNA zwischen genetischen Elementen Homologe Rekombination Genetischer Austausch zwischen homologen DNA Sequenzen Fast die gleiche Sequenz => Basenpaarung über größere Strecken möglich  Crossing-over Homologe Rekombination DSBR: double-strand break repair SDSA: synthesis-dependent strand annealing https://en.wikipedia.org/wiki/Homologous_recombination#/media/File:HR_schematic_diagram.svg Homologe Rekombination Genutzt beim genetic engneering https://en.wikipedia.org/wiki/Homologous_recombination#/media/File:HR_schematic_diagram.svg Gentransfer a) Transformation DNA von einer Zelle freigesetzt und von einer anderen aufgenommen b) Transduktion Transfer von Donator-DNA durch ein Virus c) Konjugation Übertragung durch Zell- Zell-Kontakt und ein konjugatives Plasmid https://www2.le.ac.uk/projects/vgec/schoolsandcolleges/Microbial%20Sciences/mutation-and-gene-tranfer  ! b) Transduktion DNA wird durch ein bakterielles Virus (Bakteriophagen) von einer Zelle zur nächsten übertragen Allgemeine Transduktion Übertragung einer beliebigen genomischen Sequenz Wirts-DNA wird in das Virion verpackt Spezielle Transduktion Eine spezifische Region im Wirtsgenom wird ins Virusgenom eingebaut In beiden Fällen ist der entstandene Phage nicht infektiös (= kann keine Virionen bilden), wichtige Virus-Gene fehlen = Defektive Phagen  ! b) Transduktion https://en.wikipedia.org/wiki/File:Transduction_image.pdf  ! Donator-Gene gehen verloren, Donator-DNA ist Teil des wenn keine homologe temperenten Phagen-Genoms Rekombination stattfindet  Homologe Rekombination Oder Transduktionswahrscheinlichkeit  Integration während Lysogenie eines bestimmten Gens: 1 Zelle von 106-108 erhält das Gen Fragen Worin besteht der Hauptunterschied zwischen der allgemeinen Transduktion und der Transformation?  ! Gen-Transfer und Infektion Beispiel: Phagen oder Plasmide können Gene innerhalb einer Staphylococcus aureus Population verteilen = Horizontaler Gen-Transfer Macht Staphylococcus aureus infektiöser, resistent und/oder Immun- modulatorisch Diverse Mechanismen des mikrobiellen Gen-Transfer haben direkte medizinische Relevanz  Viren als treibende Kraft in der Evolution ~1300 Virus-interagierende Proteine untersucht (ausgewählt aus 9900 konservierten Proteinen in Säuger-Genomen) Viren interagieren primär mit eher eingeschränkt variablen Proteinen Trotzdem zeigen Viren-interagierende Proteine eine höhere Adaption Unabhängig von der Funktion (immun oder nicht) 30 % aller Protein-Adaptationen (Aminosäuren-Austausch) in konservierten Genen ist von Viren getrieben! Nicht nur Viren sondern andere Mikroben selektive Faktoren in Evolution https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=27187613 Blutgruppenselektion und mikrobielle Erkrankungen Blutgruppen-Verteilung ist je nach Population unterschiedlich Zufällige genetische Drift und founder effects Natürliche Selektion Beide parallel aktiv Blutgruppen wirken sich auf Anfälligkeit für manche Infektionen aus zB Helicobacter pylori, Norovirus, Cholera Infektion Stärkster mikrobieller Selektions-Treiber: Malaria Permanente Co-Evolution von Mikroben und Säugern Verstehen der Interaktionen ist zentral für medizinische Therapien https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20308598 Fragen Unterschiede zwischen Transduktion, Transformation und Konjugation Warum sind diese Prozesse relevant für die Evolution? Wieso haben Mikroben einen Einfluss auf die Protein-Strukturen von Wirten? Prüfung Multiple choice / Multiple answer Insgesamt 50 Punkte für gesamte VO Mikrobiologie 38 Punkte für Mikrobiologie-Teil (Weßler) 12 Punkte für Virologie-Teil (Gratz) Termine – siehe Plus online (Anmeldung erforderlich!) Iris Gratz VO Mikrobiologie – Teil Virologie 237