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Viren: Merkmale, Aufbau und Vermehrung

Viren sind infektiöse, obligat intrazelluläre Parasiten. Sie sind aufgrund fehlender Komponenten nicht in der Lage, sich eigenständig zu vermehren. Der Aufbau von Viren setzt sich zusammen aus einem Nukleinsäurekern (enthält genetische Informationen) und einer ihn umgebenen Proteinhülle (Kapsid). Die Klassifizierung von Viren ist komplex und basiert auf verschiedenen Merkmalen von Viren, darunter Typ und Struktur des Nukleoid-Kerns und des Kapsids, das Vorhandensein einer Hülle, dem Replikationszyklus und dem Wirtsspektrum. Der Replikationszyklus (Vermehrung von Viren) unterscheidet sich zwischen Viren, die Bakterien infizieren (Bakteriophagen), und Viren, die eukaryontische Zellen infizieren. Bakteriophagen haben entweder einen lytischen oder lysogenen Replikationszyklus, während eukaryotische Viren einen definierten 6-stufigen Replikationsprozess haben.

Aktualisiert: Sep 14, 2022

Definition

Viren (lat. virus: Schleim, Saft, Gift) sind infektiöse, obligat intrazelluläre Parasiten. Außerhalb der Zelle werden sie Virionen genannt.

Der Aufbau von Viren setzt sich zusammen aus einem Nukleinsäurekern (Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder Ribonukleinsäure (RNA)), der von einem Proteinkapsid umgeben ist; manchmal sind Viren auch von einer aus Wirtszellmembranen abgeleiteten Hülle umgeben.

Arten von Viren

Vielfalt der existierenden Viren, mit einigen Merkmalen (Größe, Morphologie)

Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Aufbau von Viren

Der Aufbau von Viren besteht aus:

  • Einer inneren “Maschinerie”, die es dem Virus ermöglicht, sich in den Wirtszellen zu vermehren
  • Einer äußeren Strukturkomponente, die es dem Virus ermöglicht, in der Umwelt zu überleben und an Wirtszellen zu binden
  • Einem Größendurchmesser von 15 nm (Circoviridae) bis 440 nm (Megavirus chilensis)
Anatomie eines Virus

Aufbau eines Virus

Bild: “Anatomy of a Virus” (Anatomie eines Virus) von DEXi. Lizenz: CC0.

Innerer Aufbau von Viren

  • Virales Genom (Nukleoid):
    • besteht entweder aus RNA oder DNA
  • Virale Enzyme: erforderlich für die Vermehrung von Viren in der Wirtszelle:
    • DNA-abhängige RNA-Polymerase
    • RNA-abhängige RNA-Polymerase
    • RNA-abhängige DNA-Polymerase (Reverse Transkriptase)

Äußerer Aufbau von Viren

  • Kapsid:
    • Ein- oder zweischichtige Proteinhülle, die das Nukleoid umgibt
    • Angeordnet aus Untereinheiten, den so genannten Kapsomeren
    • 3 Strukturmuster:
      • Ikosaeder
      • Wendel
      • Komplexe
  • Hülle:
    • Kann vorhanden oder nicht vorhanden sein
    • Umgibt das Nukleokapsid (Zusammenschluss von Kapsid und Nukleoid)
    • Besteht aus virusspezifischen Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten (aus Wirtszellmembranen)
Formen von Virenkapsiden

Viruskapside können eine (a) schraubenförmige, (b) polyedrische, oder (c) komplexe Form annehmen.

Bild: “Figure 6.6” von OpenStax. Lizenz: CC BY 4.0

Klassifikation (Merkmale von Viren)

RNA-Viren Flussdiagramm Klassifizierung

Einteilung von RNA-Viren:
Viren können auf viele Arten klassifiziert werden. Die meisten Viren haben jedoch ein Genom, das entweder aus DNA oder RNA besteht. RNA-Viren können außerdem durch eine einzel- oder doppelsträngige RNA gekennzeichnet sein. “Behüllte” Viren sind von einer dünnen Hülle aus Zellmembranen bedeckt (die in der Regel von der Wirtszelle stammt). Viren mit einzelsträngigem Genom sind “positive-sense”-Viren, wenn das Genom direkt als mRNA eingesetzt und in Protine übersetzt wird. Einzelsträngige “negative-sense”-Viren verwenden die RNA-abhängige RNA-Polymerase, ein virales Enzym, um ihr Genom in mRNA umzuschreiben.

Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Es gibt mehrere Klassifizierungsschemata anhand Merkmalen von Viren, die auf physikalischen Eigenschaften und Replikationsstrategien beruhen.

Tabelle: Klassifizierung von Viren
Einteilung durch: Arten
Typ und Struktur des Nukleoids
  • DNA oder RNA:
    • Für RNA-Viren:
      • Einzelsträngiges Genom (positive or negative sense)
      • Doppelsträngiges Genom
    • Für DNA-Viren: Doppelsträngiges Genom (mit Ausnahme der Parvoviridae).
  • fadenförmig oder ringförmig
  • Segmentiert oder nicht segmentiert
Struktur des Kapsids
  • Ikosaeder
  • Kubisch
  • Helikal
  • Komplexe Struktur
Vorhandensein einer Hülle
  • Behüllt
  • Unbehüllt
Replikationszyklus (für Bakteriophagen)
  • Lytisch
  • Lysogen oder gemäßigt
Andere
  • Wirtsspektrum
  • Immunologische Merkmale
  • Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Chemikalien oder physikalischen Eigenschaften

Vermehrung von Viren

Für die Reproduktion wird eine geeignete und lebende Wirtszelle benötigt, weil Viren keinen eigenen Stoffwechsel führen, da sie weder Zytoplasma, Mitochondrien noch Ribosomen besitzen.

Es ist wichtig, zwischen der Replikation von Bakteriophagen (Viren, die Bakterien infizieren) und eukaryotischen Viren (Viren, die eukaryotische Zellen infizieren) zu unterscheiden.

Replikationszyklus von Bakteriophagen

Sobald sich ein Virus in einer bakteriellen Wirtszelle befindet, gibt es zwei Replikationswege:

  1. Lytischer Zyklus:
    • Tritt unter Bedingungen von DNA-Schäden oder anderen Stressfaktoren auf
    • Der Bakteriophage übernimmt die Transkriptions- und Translationsmaschinerie der Wirtszelle (sofortige und schnelle Expression von Phagengenen und -proteinen).
  2. Lysogener oder gemäßigter Zyklus:
    • In das bakterielle Wirtsgenom eingebaute Bakteriophagengene
    • Das Phagengenom wird dann in einem gutartigen, ruhenden Zustand repliziert: Das Phagengenom kann exprimiert werden, wenn die Bakterienzelle gestresst ist (z.B. bei Nährstoffmangel).

Replikationszyklus von eukaryotischen Viren

  • Freisetzung des Virusgenoms in der infizierten Wirtszelle
  • Schritte der viralen Replikation:
    1. Anheftung: Spezialisierte virale Proteine heften sich an die Wirtszelle.
    2. Penetration: Eindringen in die Wirtszelle
    3. Freisetzung (Uncoating): Abbau des Kapsids und Bereitstellung des genetischen Materials
    4. Biosynthese (Replikation): Synthese von viraler Nukleinsäure und Proteinen
    5. Zusammenbau (Assembly): Zusammenbau der Virionen in der Wirtszelle
    6. Freisetzung der Viren: durch Lyse der Wirtszelle (bei unbehüllten Viren) oder durch Knospung der Zellmembran (bei umhüllten Viren)
  • Alle DNA-Viren vermehren sich im Zellkern (mit Ausnahme des Poxvirus).
  • Alle RNA-Viren vermehren sich im Zytoplasma (mit Ausnahme von Influenza- und Retroviren).

Genetische Vielfalt

Viren haben viele Verfahren entwickelt, um ihre genetische Vielfalt zu erhöhen:

  • Rekombination:
    • Austausch von Genen zwischen zwei Chromosomen durch Crossover an homologen Regionen
  • Reassortment:
    • Viren mit segmentierten Genomen tauschen genetisches Material aus.
    • Kann eine Antigenverschiebung verursachen (z.B. Influenzavirus)
  • Komplementierung:
    • Tritt auf, wenn das Virus eine Mutation aufweist, die zu einem nicht funktionsfähigen Protein führt
    • Ein nicht mutiertes Virus “ergänzt” ein mutiertes Virus (bei Co-Infektion in einer Wirtszelle), indem es ein funktionelles Protein herstellt, das beiden Viren dient (z.B. benötigt das Hepatitis-D-Virus (HDV) das Hepatitis-B-Virus (HBV), um HBsAg (ein wichtiges Hüllprotein für HDV) zu liefern).
  • Phänotypische Vermischung:
    • Gleichzeitige Infektion der Wirtszelle mit zwei Viren
    • In der Regel erfolgt die Vermischung des Genoms des ersten Virus mit Oberflächenproteinen des zweiten Virus
Viren Genetische Diversifizierung

Viren haben verschiedene Strategien zur Erhöhung der genetischen Vielfalt entwickelt, darunter die Rekombination (Austausch von Genen zwischen zwei Chromosomen durch Kreuzung an homologen Regionen), das Reassortment (Austausch von Chromosomensegmenten), die Komplementierung (Austausch von genetischem Material eines funktionalen Virus mit einem nicht funktionalen Virus, um letzteres in ein funktionales umzuwandeln) und die phänotypische Vermischung (Vermischung von zwei viralen Genomen in einer gleichzeitig infizierten Wirtszelle, wodurch Nachkommen mit gemischten Genomen entstehen).

Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Infektionswege

Eintritt über die Haut

  • Direkte Infektion lokaler Zellen (Keratinozyten)
  • Durch die nachfolgende Entzündung erhält das Virus Zugang zu einsprossenden Blutgefäßen und Eintritt in das lymphoretikuläre System
  • Meist nur lokale Infektion mit leichten Symptomen
  • Disseminierung ist nur selten möglich (Papillomviren)
  • Sekundäre Infektionen des virusgeschädigten Gewebes können zu einer schwerwiegenden Infektion führen.

Eintritt über das Respirationssystem

  • Eintritt durch die Atemluft 
  • Wichtige Rolle bei Infektion spielen Schädigungen der Schleimhautzellen
  • Ort der Haftung, Virusvermehrung und vor allem der Virusverbreitung im Gesamtorganismus

Eintritt über das Digestionssystem

  • Orale Virusaufnahme
  • Typische Infektionsviren sind säurestabile, unbehüllte oder behüllte Viren (Picorna-, Parvo-, Astro-, Reoviren).
  • Lokale Virusinfektion des Verdauungstraktes bedeutet Infektion der Epithelzellen des Intestinallumens.
  • Eine andere Art von Viren löst über den Gastrointestinaltrakt eine systemische Infektion aus,
    • Durch Überwindung der Mukosa-Schicht und nachfolgender Ausbreitung in darunterliegende Gewebsschichten (z.B. Enteroviren)
  • Für eine gastrointestinale Infektion müssen die Viren säurestabil und widerstandsfähig gegenüber Gallensalzen sowie proteolytischen Enzymen sein. Bei manchen Viren begünstigen proteolytische Enzyme sogar den Infektionsverlauf.

Neben dem Respirations- und Digestionstrakt spielen auch andere Schleimhautoberflächen eine Rolle bei lokaler Virusinfektion. Hierzu gehört beispielsweise der Urogenitaltrakt, welcher die Eintrittspforte für die Papillomaviren darstellt. Weitere Orte für mögliche Eintritte sind z.B. die Konjunktiva der Augen dar.

Ausnahmen

Retroviren

  • RNA-Viren
  • Enthalten reverse Transkriptase (RNA-abhängige DNA-Polymerase)
  • Das bekannteste Retrovirus ist das Humane Immundefizienz-Virus (HIV).

Prionen

  • Technisch gesehen keine Viren
  • Infektiöse Proteine, die kein Nukleoid enthalten
  • Verursachen transmissible spongiforme Enzephalopathien:
    • Creutzfeldt-Jakob-Krankheit
    • Kuru
    • Bovine spongiforme Enzephalopathie (“Rinderwahnsinn”)

Quellen

  1. Baron, S. (1996). Medical microbiology. University of Texas Medical Branch at Galveston. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK7627/
  2. Parker, N., Schneegurt, M., Thi Tu, A.H., Lister, P., & Forster, B. Microbiology. (2016). Chapter 6.2, The Viral Life Cycle. https://openstax.org/details/books/microbiology

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Comenius-Award 2019

Comenius-Award 2019

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Dr. Frank Stummer ist Gründer und CEO der Digital Forensics GmbH und seit vielen Jahren insbesondere im Bereich der forensischen Netzwerkverkehrsanalyse tätig. Er ist Mitgründer mehrerer Unternehmen im Hochtechnologiebereich, u.a. der ipoque GmbH und der Adyton Systems AG, die beide von einem Konzern akquiriert wurden, sowie der Rhebo GmbH, einem Unternehmen für IT-Sicherheit und Netzwerküberwachung im Bereich Industrie 4.0 und IoT. Zuvor arbeitete er als Unternehmensberater für internationale Großkonzerne. Frank Stummer studierte Betriebswirtschaft an der TU Bergakademie Freiberg und promovierte am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe.

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Simon Veiser beschäftigt sich seit 2010 nicht nur theoretisch mit IT Service Management und ITIL, sondern auch als leidenschaftlicher Berater und Trainer. In unterschiedlichsten Projekten definierte, implementierte und optimierte er erfolgreiche IT Service Management Systeme. Dabei unterstützte er das organisatorische Change Management als zentralen Erfolgsfaktor in IT-Projekten. Simon Veiser ist ausgebildeter Trainer (CompTIA CTT+) und absolvierte die Zertifizierungen zum ITIL v3 Expert und ITIL 4 Managing Professional.

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Alexander Plath ist seit über 30 Jahren im Verkauf und Vertrieb aktiv und hat in dieser Zeit alle Stationen vom Verkäufer bis zum Direktor Vertrieb Ausland und Mediensprecher eines multinationalen Unternehmens durchlaufen. Seit mehr als 20 Jahren coacht er Führungskräfte und Verkäufer*innen und ist ein gefragter Trainer und Referent im In- und Ausland, der vor allem mit hoher Praxisnähe, Humor und Begeisterung überzeugt.

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