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Eine Einführung zur Virusklassifizierung und -replikation

Basierend auf http://www.tulane.edu/~dmsander/WWW/224/Classification224.html

Klassifizierung

Eine Klassifizierung ermöglicht Voraussagen über mögliche Details zur Replikation, Pathogenese und Übertragung von Viren. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn ein neuer Virus identifiziert wird. Klassifizierung ist auch eine Hilfestellung bei der Untersuchung einer neuen Spezies einer bereits bekannten Virusfamilie oder –gattung. Die Untersuchung wird dann mit Hilfe von bereits bekannten Informationen über die anderen Mitglieder dieser Gruppe geführt.

Ohne jegliches Klassifikationsschema wäre jeder neu entdeckte Virus eine Blackbox. Nichts könnte im Voraus vermutet werden, alles müsste wieder und wieder entdeckt werden. Diese Gründe zeigen, dass die Entwicklung eines Klassifkationsschemas sehr wichtig und unumgänglich ist.

Das aktuelle Klassifikationsschema erlaubt es, den gerade neu beschriebenen Viren ein ganz bestimmtes Label zu geben. Im besten Fall kann viel über die Biologie des Virus vermutet werden. Sogar im schlechtesten Fall können Rahmenbedingungen für die folgenden Untersuchungen vorgeschlagen werden. Da z. Zt. sehr wenige Virus-Neuentdeckungen gemacht werden, die nicht in das bestehende Klassifikationsschema passen, kann mit großer Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass für die Viren, die den Menschen und Haustiere infizieren, ein gutes Klassifizierungssystem vorhanden ist. Klassifizierung ist also nützlich.

Wie werden Viren klassifiziert?

Hierarchische Virus-Klassifizierung:

Ordnung - Familie - Unterfamilie - Gattung - Spezies – Stamm/Typ

In der aktuellen Klassifizierung sind eigentlich nur die Schritte vom Level der Familien an von Bedeutung. Alle Familien haben die Nachsilbe – viridae, z.B.

• Poxviridae
• Herpesviridae
• Parvoviridae
• Retroviridae

Mitglieder der Familie Picornaviridae werden im Allgemeinen über den Fäkal/Oral-Weg oder über die Luft übertragen.

Gattungen tragen die Nachsilbe - virus . Innerhalb der Picornaviridae- Familie befinden sich z.B. fünf Gattungen:

• Enterovirus species z.B. Poliovirus 1, 2, 3
• Cardiovirus species z.B. Mengovirus
• Rhinovirus species z.B. Rhinovirus 1a
• Apthovirus species z.B. FMDV-C
• Hepatovirus species z.B. Hepatitits A Virus

Die Definition für `Spezies' ist die wichtigste, aber auch schwierigste Aufgabe bei der Virusklassifikation. Sie trägt einen etwas subjektiven Charakter. Die Lentivirus Gattung zum Beispiel, beinhaltet viele verschiedene Spezies wie z.B. die folgenden:

• HIV-1, Human Immunodeficiency Virus 1 = menschlicher Immundefizienz Virus 1
• HIV-2, Human Immunodeficiency Virus 2 = menschlicher Immundefizienz Virus 2
• SIV, Simian Immunodeficiency Virus = Affen-Immundefizienz Virus
• FIV, Feline Immunodeficiency Virus = Katzen-Immundefizienz Virus
• BIV, Bovine Immunodeficiency Virus = Rinder-Immundefizienz Virus
• Visna (Schaf)
• EIAV (Pferd)
• CAEV (Ziege)

Es existieren jedoch Viren, deren Eigenschaften zwischen denen der beiden beschrieben Spezies liegen. Sollten diese in eine andere Spezies eingeordnet werden oder in eine bereits bestehende Spezies eingeordnet werden? Solche Variationen treten vor allem bei Viren mit einem RNS Genom auf und verursachen eine Menge Schwierigkeiten bei der Klassifizierung.

Basis der taxonomischen Klassifizierung.

Eigenschaften wie Morphologie (Größe, Form, umhüllt/unumhüllt), physiko-chemische Eigenschaften (Molekülmasse, Schwimmdichte, pH-Wert, thermische und Ionen-Stabilität), Genom (RNS, DNS, segmentierte Sequenz, Restriktionskarte, Modifikationen etc.), Makromoleküle (Proteinzusammensetzung und -funktion), Antigen-Eigenschaften, biologische Eigenschaften (Wirtauswahl, Übertragungsweg etc.) werden berücksichtigt.

Die Baltimore Klassifizierung

Die Replikationsstrategie eines Virus ist abhängig von der Natur seines Genoms. Viren können in sieben (willkürliche) Gruppen eingeteilt werden.

I: Doppel-Strang DNS (Adenoviren; Herpesviren; Poxviren, etc.)
II: Einzel-Strang (+)Richtung DNS (Parvoviren)
III: Doppel-Strang RNS (Reoviren; Birnaviren)
IV: Einzel-Strang (+)Richtung RNS (Picornaviren; Togaviren etc.)
V: Einzel-Strang (-)Richtung RNS (Orthomyxoviren, Rhabdoviren, etc.)
VI: Einzel-Strang (+)Richtung RNS mit DNS Zwischenprodukt im Lebenszyklus (Retroviren)
VII: Doppel-Strang DNS mit RNS Zwischenprodukt (Hepadnaviren)

Replikation

Damit ein Virus sich vermehren kann, muss er zunächst eine Wirtszelle infizieren. Viren haben normalerweise eine beschränkte Wirtauswahl, d.h., dass sie z.B. nur bestimmt Tiere oder Zelltypen infizieren können. Die Wirtszelle muss in der Lage sein, Proteine mit drei verschiedenen Aufgabenbereichen zu produzieren. Gewährleistet sein müssen: – die Vermehrung des Genoms – das Umhüllen des Genoms mit den eigentlichen Viruspartikel – die Veränderung des Metabolismus der infizierten Zelle, so dass der Virus produziert werden kann.

Dieses Bild zeigt die Replikation eines Retrovirus, HIV-1, jedoch sind die wichtigsten Schritte für alle Viren einheitlich. In den genauen Details können trotzdem immer noch große Unterschiede auftreten.

Initiationsphase (Aktivierungsphase):

• Anhaftung
• Penetration (Eindringen)
• Entmantelung

Das genetische Material eines Virus wird in die Zelle eingebracht, häufig in Begleitung von essentiellen viralen Protein-Co-Faktoren.

Replikationsphase:

• DNS Synthese
• RNS Synthese
• Protein Synthese

Die Größe des Genoms, die Zusammensetzung und Organisation von Viren zeigen eine enorme Vielfältigkeit (siehe oben Baltimore Klassifizierung). In einigen wenigen Fällen sind es zelluläre Enzyme mit der Hilfe von viralen Proteinen, die das Virus-Genom vermehren (z.B. Parvovirus). In den meisten Fällen ist jedoch das Gegenteil der Fall; virale Proteine sind hier verantwortlich für die Replikation des Genoms, benötigen jedoch zelluläre Enzyme als Hilfestellung.

Freisetzungsphase:

• Zusammensetzung
• Maturation (Reifung)
• Entlassen aus der Wirtszelle

In allen Fällen sind es virale Proteine, die für den dritten und letzten Schritt verantwortlich sind, obwohl auch hier wieder Proteine des Wirtes und andere Substanzen mit dem Viruspartikel verbunden sein können. Das Partikel/Infektions-Verhältnis von Picornaviren liegt bei ungefähr 0.1%, d.h. allein ein von 1000 viralen Partikeln ist infektiös. Es existieren viele verschiedene Gründe, warum ein Virus nach der Replikation fehlerhaft sein kann. Gerade das macht die Untersuchung der Virusreplikation so kompliziert.

Mehr lesen über Viren: http://www.virology.net/