Mikrobiologie Virologie Zusammenfassung PDF

Mikrobiologie Virologie Zusammenfassung Viren - Können alle 3 Domänen des zellulären Lebens infizieren: Archaea, Bacteria, Eukaryota - Sind spezialisiert auf ihren Wirt → sind f. Replikation (Vermehrung) auf Wirt angewiesen → Viren müssen in Wirt eindringen - Besitzen kei...

Mikrobiologie Virologie Zusammenfassung Viren - Können alle 3 Domänen des zellulären Lebens infizieren: Archaea, Bacteria, Eukaryota - Sind spezialisiert auf ihren Wirt → sind f. Replikation (Vermehrung) auf Wirt angewiesen → Viren müssen in Wirt eindringen - Besitzen keinen Stoffwechsel, keine Biosynthese, sind keine Zellen ➔ Viren besitzen nicht alle Kennzeichen v. Leben - Viren besitzen ein Genom (=vermehrbare Erbinf.) → kein Genom = kein Virus - Viren müssen sich unabh. v. der Art ihres Genoms in den Stoffwechsel des Wirts „einklinken“ u. mRNA produzieren Viren haben zwei Existenzzustände - Extrazellulär: als Viruspartikel (=Virion), das von der Wirtszelle ausgeschleust wird o Virion = infektiöse Einheit des Virus → Nukleinsäure + „Verpackung“ (Proteine, manchmal Lipidhülle, andere Makromoleküle) - Intrazellulär: als Nukleinsäure in der Wirtszelle → Während Replikation v. Genom u. Protein- Synthese Unterschied zu Zellen: - Zellen: doppelsträngige DNA - Viren: äußerst divers o RNA oder DNA o ds oder ss (einzelsträngig) o linear oder ringförmig ➔ Trotzdem gilt: o Aus Genom/Nukleinsäure → werden Proteine synthetisiert o Translationsmaschine des Wirts wird genutzt → mRNA notwendig, um sich ins System des Wirts einzuklinken Wirte: - Bakterien → Viren heißen Bakteriophagen - Eukaryoten → tier. u. pflanz. Viren Einteilung v. Viren/Taxonomie - Nach Genom-Art - Nach Wirt - Nach Morphologie des Viruspartikels (Virion) Virionen (=Viruspartikel) - Sehr klein (kl. Als prokaryot. Zellen) → 20-300 nm o Bsp. Rhinovirus: 23 nm (250A) - Genom: klein - Struktur: vielfältig o Nucleinsäure des Genoms ist innerhalb eines Partikels verpackt o Nucleinsäure ist umgeben v. Proteinhülle = Capsid/Nucleocapsid o Durch kleines Genom besteht Capsid manchmal nur aus einer Proteinart aber meist einige wenige Proteine kombiniert o Proteine/Proteinkomplexe im Viruscapsid ordnen sich in wiederholenden Mustern um die Nukleinsäure an = Capsomere (strukturieren sich meist selbst) ▪ Stäbchenförmige Anordnung → helikale Symmetrie ▪ Runde Anordnung →ikosaedrische Symmetrie ▪ Konische Anordnung o Manche Viren nackt andere v. Lipid-Schicht umgeben o Je mehr Nucleinsäure verpackt werden muss, desto größer ist Capsid Capsid + Hülle - Hülle = Membran, die das Nucleocapsid umgibts z.B. bei Coronaviren, Influenzavirus - Lipidmembran mit Komponenten f. z.B. Anheftung o. Fusion - Lipid-Schicht meist instabiler als Capsid ohne Hülle → Gefahr v. Austrocknung, Hitzeschäden,… → leichter zu sterilisieren Komplexe Viren - Bestehen aus mehreren Teilen mit jeweils eig Strukur u. Symmetrie - Bsp. bakterieller Virus Bakteriophage T4 → ikosaedrischer Kopf, helikaler Schwanz (Schwand dient als injektionshilfe um Genom in Zelle zu geben) Enzyme v. Viren - Virionen haben keinen eig Metabolismus (keine Organellen, keine ATP) - Aber sie enthalten Enzyme, die f. Infektion essentiell sind - Bsp. Bakteriophage enthält Lysocym (spaltet Peptidoglycan der bakteriellen Zellwand u. schwächt sie dadurch) → Virus kann durch entstandenes Loch Nucleinsäure in Wirtszellen injizieren  - Bsp. Nukleinsäurepolymerasen zur Replikation des virales Genoms o Viren brauchen Reverse Transkriptase o. RNA-Polymerase zur Replikation ihres Genoms → Wirtszellen können keine DNA/RNA v. RNA-Matrizen bilden - Bsp. Enzyme zur Freisetzung v. Vironen wie Neuraminidasen Virusreplikation/virale Replikation = Wirtszellen veranlassen alle Virusbestandteile zu synthetisieren 1. Anheften (Adsoprtion) an Wirtszelle - Virion-Oberflächenmoleküle sind spezifisch f. Wirtszellen-Oberflächenmoleküle → Rezeptoren (=Proteine, Kohlenhydrate, Glykoproteine, Lipide, Lipoproteine) - Rezeptoren an der Wirtsoberfläche sind normale Rezeptoren m. Funktion für die Zelle (z.B. f. Zell-Zell-Interaktionen, Transmembran-Transport,…) - Wenn Wirt ohne Rezeptor-Molekül auskommt bzw. es durch Mutation variiert → wird der Wirt resistent gg. Virus - Virus kann sich ebenfalls verändern durch Mutation → mutiertes Rezeptormolekül kann wieder erkannt werden (andere Rezeptor-Spezifität wird selektiert) - Rezeptoren sind nicht nur wirtspezifisch, sondern auch Zelltyp-spezifisch → Gewebespezifität des Virus (Bsp. Viren, die Husten auslösen, heften an Bronchien oder Lungenepithel an) 2. Injektion/Eindringen (Penetration) des gesamten Virions oder seiner Nucleinsäuren - Durch Anheften v. Virions an Rezeptormolekül kommt es zu Veränderung der Oberfläche → Virion wird v. Wirtzelle aufgenommen (häufig aktiv durch Endozytose) - Virusgenom wird in die Zelle gebracht/eingeschleust (auch Virusproteine, die zur Replikation benötigt werden) - In tier. Zelle passiert die Replikation fast immer im Nukleus (Ausnahme bsp. Coronaviren) - Ablegen der Hülle des Virus (an der Zellmembran/Fusion m. Zellmembran/Auflösen in Cytoplasma) 3. Synthese der Nukleinsäuren u. Proteine durch manipulierten Wirt - mRNA vorhanden → virale Protein werden gebildet - Frühe Proteine → f. Replikation des viralen Genoms - Späte Proteine → bilden Virus-Capsin oder Virushülle - Wirtsmetabolismus sekundär oder wird abgebrochen → zugunsten der Produktion der Virionen 4. Zusammenbau der Capsomere u. Verpackung des Genoms in Virionen = Reifung 5. Freisetzung reifer Virionen (entweder durch Lyse des Wirts oder durch Knospung oder Ausscheidung – je nach Virus) - Wurfgröße = Anzahl freigesetzter Virionen pro Wirtszelle → je nach Virus u. Wirt hunderte bis tausende - Zeit → bakterielle Viren werden nach 20-60 min freigesetzt; tier. Viren nach 8-40h Anheften u. Eindringen am Bsp. Bakteriophagen T4 - Anheften mittels Schwanzfasern → Schwanzfasern interagieren m. Polysacchariden der Oberfläche → Schwanzfasern ziehen sich zusammen → Grundplatte setzt auf → Lysozym-ähnliches Enzym → Poren → DNA wird injiziert → Proteinhülle bleibt draußen nur Genom wird injiziert - Bakterielle DNA wird zerstört - Infiziertes Bakterium wird nur noch vom Virusgenom kontrolliert - Ziel: Bildung v. neuen Bakteriophagen u. Entlassung derer Virale Nukleinsäuren - David Baltimore (Virologe) → Klassifikation in 7 Klassen → nach viralem Genom u. Bildung der mRNA - In jeden Fall wird mRNA produziert u. in Protein übersetzt - (RNA (+)-Strang ist direkt ablesbar) Replikation am Bsp. HIV - HIV: Baltimore Gruppe VI 1. Anheften → Zellspezifität Oberflächenmoleküle, die HIV binden → T-Zellen mit CD4 u. CCR5 (Co-Rezeptoren) an der Oberfläche 2. Reverse Transkription → Integration der Genomischen RNA in doppelsträngige DNA → wird integriert ins Genom 3. Herstellung der genomischen RNA sowie mRNA → Proteine 4. Reifung u. Freisetzung v. neuen Viren → budding Quantifizierung v. Viren Versch. Labormethoden zur Bestimmung des Virus-Titers (Titer = Maß an infektiöser Menge; höchste Verdünnung, die noch infektiös ist) - Im Mikroskop zählen mittels ElMi → teuer, spezielles Material → besser um subzelluläre Lokationen sichtbar zu machen - Molekularbiologisch mittels PCR → häufig verwendet → Sequenz-spezifische Vermehrung v. Teilen des Genoms - Funktionell mittels Infektion v. Wirtzellen → Messung der Anzahl der infektiösen Einheiten (nicht-infektiöse Viren nicht erfasst) → geeignet um Desinfektionsmethoden zu testen Plaque-Assay-Bakterienkulturen - Bakterien werden sehr dicht ausgesät - Wirtszell-Rasen + Virionen (Bsp.Bakteriophagenvirion) → Lyse u. Freisetzung - Nachbarzellen werden infiziert u. lysiert (lysierte Zellen sind als klare Zone/Plaques sichtbar → sind jetzt zählbar  - Verdünnungsreihe → Virionen zählbar machen; bei welcher Konz. an Bakteriophagen ist es noch zu 100% letal? - 1 plaque wird von einem Virionen gebildet Plaque-Assay-tier. Kulturen - Konfluenter Zellrasen (=sehr dicht aneinander) in der Zellkultur + Virionen - Lyse (=Freisetzung v. Virionen), Lyse v. Nachbarzellen - Färbung d. lebenden, adherenten Zellen - Ungefärbte Plaques zählen - Verdünnungsreihe Virale Vielfalt ➔ Die unterschiedlichen Zellstrukturen der Wirte haben Auswirkung auf Lebenszyklen der spez. Viren Viren der Archea Viren der Bacteria - unterschiedl. Form u. Genom (dsDNA als häufigste Form, aber auch ssDNA, ssRNA, dsRNA) - Lebenszyklen entweder virulent/lytisch oder temperent/lysogen Replikationszyklus: lytisch vs. Lysogen Lytisch - Sofortige Produktion v. neuen Viren → hoher energet. Aufwand (→ Bakteriophagen zerfallen wenn es keine Bakterien zum infizieren gibt) - Bsp. MS2 - Infektion – Genom wird in Bakterienzelle injiziert – Replikationszyklus – bis Zelle lysiert wird – frische Virionpartikel in Umgebung entlassen → infizieren neue Bakterien Lysogen - Infektion – Genom kommt in die Zelle – wird nicht sofort repliziert – Genom wird integriert in Wirts-Genom – bleibt dort, bis es aktiviert wird (auch über Generationen) → Bakterien/Wirt vermehren sich weiter - Vorteil f. Wirt: Virus-Replikation wird aktiv supprimiert/unterdrückt → Außer: Repressor-Protein (wird viral codiert) → macht Wirt resistent ggüber verwandten Viren ➔ Evolutionär sinnvoller „zeitbombe“ Prophage = integriertes Genom Viren der Eukaryoten (RNA-Viren, DNA-Viren) o Lebenszyklen entweder lytisch oder latente Infektion o Tier. Viren müssen nicht durch Zellwand → einfacheres Eindringen u. Freisetzen d. Viren → meist dringt gesamtes Virion in Zelle ein o Arten der Infektion: ▪ Virulent → zerstört Wirtszelle sofort ▪ Persistent → bei Viren mit Hülle; Wirt produziert weiterhin Virus ▪ Latent → Verzögerung zw. Infektion u. Lyse (=Produktion d. Virus) → kein Virus wird produziert bis es „erwacht“ → dann Lyse o Virale Atemwegsinfektionen ▪ Übertragung ü. infektiöse Tröpfchen ▪ Bsp. Masern, Mumps, Röteln,… ▪ Können auch bei gesunden/erwachsenen Menschen einen gefährlichen Verlauf nehmen MS2 -Zyklus VO 10-3 min 20 RNA-Viren der Eukaryoten (tier.) - Krankheitsübertragung über Luft, direkten Kontakt, GV ➔ Übertragungsweg bestimmt die Präventionsmaßnahmen RNA (+)-Viren - Bsp. Coronaviren (Atmungsbeschwerden); Poliovirus, Rhinovirus (Erkältungsviren) - Meist klein - ssRNA - RNA (+)-Strang direkt ablesbar RNA (-)-Viren - Bsp. Rhabdoviren (Tollwutvirus); Ebolavirus Retrovieren - Bsp. HIV Coronaviren - Ordnung: Nidovirales (lat. Nidus – Nest) → geschachtelte mRNAs - Familie: Coronaviridae - ssRNA, (+)-Strang, Baltimore Gr. IV - sehr großes Genom  - Write: Säuger, Amphibien, Vögel, Reptilien → genetisch hoch variabel (z.T. mehrere Wirte mögl.) - Humane Erkrankungen (v. 7 versch. Viren) o Grippale Infekte/Erkältung: 4 (bsp. HCoV-229E) o Schwere Atemwegserkrankungen: 3 (bsp. SARS-CoV-1) - Generelles Merkmal v. CoV: leichtere Erkrankungen bei Kindern → überleben, so bleibt CoV in der Population → Reinfektion im Erwachsenen-Alter - Ursprünglicher Wirt: Tiere Pandemien VO11-1 min 18 RNA-Viren von Pflanzen - Pflanzen haben dicke Zellwände - Häufiger Eintrittspunkt: Wunden (Zellwand v. Insekten angegriffen) - Weiterinfektion innerhalb der Pflanzen läuft v. Zelle zu Zelle - Die meisten RNA-Viren bei Pflanzen sind Positiv-Strang Viren - Wirt. relevant v.a. in Landwirtschaft - Bsp. Tabakmosaikvirus (TMV) o Infiziert 9 Pflanzenfam. (u.a. Tomaten, Tabak, Gurken, Paprika,…) o Sehr stabile Virionen o Übertragung v. Pflanze zu Pflanze durch z.B. Mensch o Stäbchenförm. Virion o Übertragung d. Genoms in der Pfl. v. Zelle zu Zelle via Bewegungsproteine → Virion zu groß, um transportiert zu werden → Genom wird als freie RNA v. Zelle zu Zelle gezogen (als freies Capsid) - ORF hat Start u. Stopcodon → Polymerase fällt danach ab Covid 19 Eckdaten - Tröpfchen (Aerosol) oder Schmierinfektion - 5-80% asymptomatisch, 5-50% milder Verlauf, 10-15 schwer, 2-5 kritisch - Kinder haben leichterer Form als Erwachsene (typ. Bei alle coronaviren) - Symptome bis Erholung: 2-8 Wochen je nach schwere - Long Covid: multi Organ/System-Erkrankung bei bis zu 25% der Erkrankten (unabh. V. schere) - 4-6 Tage v. Infektion bis Symptom (bis zu 14 d) = Inkubationszeit - Virus wird 24-48 h vor Symp. Freigestzt - Latenz = infektiös  - Virus macht Lungenschäden (Angriff des Lungenepithels) —> großteil der Schäden durch Immunantwort (Gewebsschäden, die die Lungenfunktion beeinträchtigen) - Freisetzung der Viren vor Entwicklung der Symptome (auch unterschied zu Sars1) - Membran kann durch Alkohol oder Seife verstört werden (Hülle ist am angreifsbaren) - Struktur o Viren m. Hülle (deswegen Händewaschen sinnvoll) —> Nucleokapsid /Kapsidproteine o Membranhülle m. Spikeproteinen, die an Wirt binden Spike-Proteine: Rezeptor-Bindung, Verantwortlich f. Fusion m. Zelle Envelope Protein: stamm-spezifisch, Primer in Sars Cov2 PCR in E-Gen Nucleocapsid: RNA-bindend, überzieht RNA-Genom; Protein konserviert zw. Stämmen Keine viralen Enzyme im Virion: wichtig f. Stabilität, Enzyme können leicht degradieren, stabiler als Influenza Sars-covid 2 - Eigenschaften Replikation o Virus m. Hülle (Lipid-Membran) → Desinfektion o (+)-Strang RNA Virus → Genom entspricht der mRNA-Sequenz → keine Enzyme im Virion notwendig (macht Virion vergleichsweise stabiler) o Genom codiert polyA- Tail o Virale RNA hat 5‘ Cap o Replikation ist vollst. Im Zytoplasma mögl (ohne involvement v. Kern) o Keine viralen Enzyme o Sehr gr. Genom —> pot. Relevanz f. Therapie ▪ bei kleinen Viren hat die RNA-abhängige RNA-Polymerase eine sehr hohe Fehlerrate (limitierte Größe, kein Platz f. proof-reading) ▪ bei Coronaviren: höhere Genauigkeit bei der Repliaktion durch 3´-5´- Exonucleaseaktivität m. proof-reading-ability →Gen muss somit aber auch größer sein, da ein extra Gen im Genom codiert sein muss (zusätzliche Sequenz f. Exonuklease) ▪ Therapiemöglk: Exonukleaseaktivität bei Cornoaviren gezielt inhibieren (kleine Moleküle finden, die binden, hemmen) o Großer ORF (open reading frame) —>codiert poly-protein, welches durch virale Proteasen gespalten wird o Remdesivir: Adenosin Pro-drug, wirkt auf RdRp (RNA Replikase) —> verhindert Elongation (frühere Gabe besser) o Virusfreigabe vor Symptomen Genom bei versch. Coronaviren: Betacoronavirus: - Ribosom setzt am 5-Prime-Cap an u. beginnt die Translation - ORF1 hat einen Frameshift (nach dem ORF1) → das bedeutet zu 80% stoppt das Ribosom u. fällt ab - In 20% der Fälle kann das Ribosom einen Rückschritt um ein Nukleotid auf der mRNA- Sequenz machen → Somit wird frame gelesen und es ergibt ein durchgehendes Protein - Dieses Polyprotein hat zwei versch. Proteasen, die RNA-abhängige Replikase und die RNA Exonuclease kodiert - Proteasen spalten das Protein → RNA-Abhängige Replikase wird frei u. funktionell → Proteasen sind somit potentielle Therapiemöglichkeiten: Wenn man Proteasen hemmen könnte, würde man das Freisetzten der RNA-Replikase stoppen - RNA-Replikase ist auch eine pot. Therapiemöglk.: Bsp. Remdesivir (Adenosin-pro-drug): wird bei RNA-Replikation eingebaut u. verhindert Elongation, weil dann keine Kettenverlängerung mögl. ist - Beim Stopp fällt Ribosom ab Replikationszyklus strukturelle Proteine - Produktion v. struk. Proteine zeitl. Verzögert —> gibt dem Virus mehr Zeit, das Genom zu replizieren bevor Virionenproteine gemacht werden —> auch Zeit um v. Immunsystem geschützt zu bleiben (u. die Replikation geschützt bereits voranzutreiben) - Struktur. Proteine werden (ähnlich wie beim Tabakmosaikvirus) v. sub-genomischen RNAs translatiert —> diese kommen v. (-) RNA-Strang - Haben jeweils eigene TRS (transcription regulation sequence) und bekommen leader sequenz vom der rdrp Etwas andere Darstellung des Genoms: - Am Anfang: leader TRS (transcription regulation sequence) → Ribosom braucht diese Sequenz um hier zu starten - TRS ist vor den einzelnen strukturellen Genen codiert - RNA-Polymerase codiert den Strang v. „hinten“ in 5´-3´-Richtung → sythethetisiert bis zu einem TRS → u. hat dann eine hohe Warschk. v. TRS zu TRS zu springen → wenn sie springt, fügt sie leader sequenz an → Resultat: mRNA für individuelles strukturelles Gen Replikation auf zellulärer Ebene - subgenomische rna? → Teil des Genoms, die eine codierte Sequenz erhalten - Doppelsträngige rna gibt es nicht in gesunden zellen - Wdh. Virion: Nukleokapsid m. RNA innen → umgeben v. Membranhülle → umgeben v. Spikeproteinen, die in der Hülle stecken - Wirtszelle exprimiert an ihrer Oberfläche Rezeptoren (Bsp. S2) → Nach Rezeptorbindung → Endozytose (Akitive Aufnahme der Viruspartikel über Endozytose)  - Formationsänderung des Spikeproteins → Endosom fusioniert mit der Virusmembran → Innenleben der Hülle wird ins Zytoplasma gestülpt (=Fusion) - Uncoding: Capsidprotein wird von der RNA gelöst → liegt genomische einzelsträngige DNA vor → kann direkt als genomische RNA verwendet werden → Translation v. ORF a und b ➔ Das ganze läuft in einer geschützten Umgebung ab - Infektion löst aus, dass sich vom ER doppeltmembran Vesikel bilden (hier findet kann dann abgeschottet v. Zytoplasma, die doppelsträngige RNA repliziert werden) - Weil, die eukaryotische Zelle sonst die doppelstr. RNA entdecken würde (weil eukaryot. Wirtszellen eig keine doppelstr. RNA haben) → antivirale Antwort um Replikation zu stoppen → deswegen Repliaktion (der Corona-) Viren in Vesikeln → Genom ist bereits gemacht, wenn alle strukturellen Proteine fertig sind - Assemblierung in Abschnürungen, die Exosomen bilden (Vesikelbildung) - Genom wird an Membranhülle angelagert → in Exosomen ausgeschleußt → Virus entlassen (augehustet, Nachbarzelle infizieren,…) Potentielle therapeutische Interferierung mit dem Replikationszyklus - Rezeptorbindung stoppen m. Hilfe v. neutralisierenden Antikörpern - Protease Inhibitoren - RNA-Polymerase Inhibitoren o. Inhibitoren der Exonuklease - Inhibitoren der Virusreifung Unterschiede SARS – Covid19 SARS Covid19 Erkrankung am schlimmsten bei hoher Anzahl Anzahl der freigesetzten Viren ist ausreichend f. der Freigesetzten Viren Infektivität bevor Patient Symptome zeigt →Patienten am infektiösesten, →Infizierte Patienten können nicht einfach wenn man kränksten identifiziert werden Hauptansteckung im Krankenhaus Hauptansteckung im tägl. Leben Pandemie gestoppt Pandemie nicht gestoppt