Molekulare und Medizinische Virologie - Exam.pdf

Aufgabe 1)

• Größe: 20-300 nm
• Genom: DNA oder RNA, einzel- oder doppelsträngig
• Kapsid: Proteinhülle um das Genom, aufgebaut aus Kapsomeren
• Symmetrien: ikosaedrisch, helikal oder komplex
• Hülle: Lipidmembran bei behüllten Viren, enthält virale Glykoproteine
• Unbehüllt: Keine Lipidmembran, nur Kapsid
• Enzyme: Bei einigen Viren vorhanden, z.B. Reverse Transkriptase bei Retroviren

a)

Beschreibe die strukturellen Unterschiede zwischen behüllten und unbehüllten Viren und erkläre, wie diese Unterschiede die Stabilität und Infektiosität der Viren beeinflussen können.

Lösung:

Um die strukturellen Unterschiede zwischen behüllten und unbehüllten Viren zu verstehen und wie diese Unterschiede die Stabilität und Infektiosität der Viren beeinflussen können, gehen wir die folgenden Punkte durch:

• Behüllte Viren:

• Struktur: Diese Viren besitzen neben dem Kapsid noch eine zusätzliche Lipidmembran, die sogenannte Hülle. Die Hülle enthält virale Glykoproteine, die für die Adsorption und den Eintritt in die Wirtszelle notwendig sind. Das Kapsid ist eine Proteinhülle, die das Genom umschließt und aus Kapsomeren besteht.
• Stabilität: Die Lipidhülle macht behüllte Viren empfindlicher gegenüber Umwelteinflüssen wie Detergenzien, Lösungsmitteln und Austrocknung. Dies führt dazu, dass behüllte Viren in der Regel außerhalb des Wirtsorganismus weniger stabil sind.
• Infektiosität: Die viralen Glykoproteine in der Hülle ermöglichen den behüllten Viren, spezifisch an Rezeptoren auf der Oberfläche von Wirtszellen zu binden. Dies verbessert ihre Fähigkeit, in die Wirtszelle einzudringen und dort eine Infektion zu verursachen. Allerdings erfordern behüllte Viren in der Regel engen Kontakt für die Übertragung, da die Hülle leicht durch äußere Einflüsse beschädigt werden kann.
• Unbehüllte Viren:
• Struktur: Diese Viren bestehen nur aus dem Kapsid, das das Genom umschließt. Sie haben keine zusätzliche Lipidmembran.
• Stabilität: Da sie keine Lipidhülle haben, sind unbehüllte Viren in der Regel widerstandsfähiger gegenüber Umwelteinflüssen wie Hitze, Säuren, Detergenzien und Austrocknung. Dies bedeutet, dass sie besser überleben können und oft über größere Distanzen übertragen werden können.
• Infektiosität: Unbehüllte Viren binden in der Regel an Wirtszellen durch die Kapsidproteine. Die fehlende Hülle bedeutet, dass sie häufig weniger spezifisch in ihrer Wirtswahl sind und über verschiedene Mechanismen in die Wirtszelle eindringen können. Die höhere Stabilität ermöglicht es ihnen, länger in der Umwelt zu überleben und dadurch ihre Infektiosität zu erhöhen.

Zusammenfassend lässt sich sagen:

• Behüllte Viren: Empfindlicher, aber oft spezifischer und effizienter in der Infektion. Stabilität in der Umwelt ist geringer.
• Unbehüllte Viren: Widerstandsfähiger gegenüber äußeren Einflüssen, weniger spezifisch, können jedoch länger und über größere Distanzen übertragen werden. Infektiosität kann aufgrund der höheren Stabilität erhöht sein.

b)

Ein Virus besitzt eine ikosaedrische Symmetrie und hat einen Durchmesser von 100 nm. Berechne das Volumen des Virions unter der Annahme, das Virus sei eine perfekte Kugel. (Nutze die Formel für das Volumen einer Kugel: \(V = \frac{4}{3} \pi r^3\)).

Lösung:

Um das Volumen eines Virions mit einer ikosaedrischen Symmetrie und einem Durchmesser von 100 nm zu berechnen, nehmen wir an, dass das Virus eine perfekte Kugel ist. Die Formel für das Volumen einer Kugel lautet:

• Formel: \(V = \frac{4}{3} \pi r^3\)

Schritte zur Berechnung des Volumens:

1. Radius berechnen: Da der Durchmesser des Viruspartikels 100 nm beträgt, ist der Radius die Hälfte des Durchmessers: \(r = \frac{100}{2} = 50 \, \text{nm}\)
2. Formel anwenden: Setze den Radius in die Volumenformel ein:
   • \(V = \frac{4}{3} \pi (50)^3\)
3. Berechnen:
   • \(50^3 = 50 \times 50 \times 50 = 125000\)
   • \(V = \frac{4}{3} \pi \times 125000\)
   • \(V = \frac{500000}{3} \pi\)
   • \(V \approx 166666.67 \pi \, \text{nm}^3\)
   • \(\pi \approx 3.14159\)
   • \(V \approx 166666.67 \times 3.14159 \approx 523598.78 \, \text{nm}^3\)

Das Volumen des Virions beträgt also ungefähr 523598.78 nm³.

c)

Erkläre, warum einige Viren berechtigt sind Enzyme wie die Reverse Transkriptase zu besitzen und welche Rolle diese Enzyme während des Infektionszyklus spielen.

Lösung:

Einige Viren, insbesondere Retroviren, besitzen Enzyme wie die Reverse Transkriptase aus wichtigen Gründen. Hier sind die Gründe und die Rolle dieser Enzyme während des Infektionszyklus im Detail erklärt:

• Grund für das Vorhandensein von Enzymen:
  • Retroviren haben ein Genom, das aus RNA besteht. Um jedoch erfolgreich in die Wirtszelle integriert zu werden und sich zu vermehren, müssen sie ihr RNA-Genom in DNA umwandeln. Dies liegt daran, dass die Wirtszelle hauptsächlich mit DNA als genetischem Material arbeitet.
  • Die Reverse Transkriptase ist erforderlich, um diese Umwandlung von RNA in DNA zu ermöglichen. Es ist ein Enzym, das RNA als Vorlage verwendet, um komplementäre DNA (cDNA) zu synthetisieren.
• Rolle der Reverse Transkriptase während des Infektionszyklus:
  • Nach dem Eintritt des Virus in die Wirtszelle wird das virale RNA-Genom durch die Reverse Transkriptase in DNA umgewandelt.
  • Die resultierende DNA wird dann in das Genom der Wirtszelle integriert. Bei Retroviren erfolgt dies durch ein weiteres virales Enzym, die Integrase.
  • Sobald die virale DNA in das Wirtsgenom integriert ist, nutzt die Wirtszelle ihre eigenen zellulären Mechanismen, um die viralen Gene zu transkribieren und zu translatierten, wodurch neue Virionen produziert werden.
  • Die Produzierten viralen Proteine und RNA-Genome werden anschließend zusammengebaut, um neue Viruspartikel zu bilden, die die Wirtszelle verlassen und weitere Zellen infizieren können.

Zusammengefasst:

• Viren wie Retroviren besitzen Enzyme wie die Reverse Transkriptase, weil sie für die Umwandlung ihres RNA-Genoms in DNA unerlässlich sind, ein notwendiger Schritt, um die Wirtszelle zur Produktion neuer Viren zu nutzen.
• Diese Enzyme spielen eine kritische Rolle während des gesamten Infektionszyklus, indem sie die anfängliche Umwandlung von RNA in DNA und die anschließende Integration in das Wirtsgenom ermöglichen.

Aufgabe 2)

Vergleiche die Replikationszyklen von DNA-Viren und RNA-Viren, indem Du die grundlegenden Schritte ihrer Vermehrung und die Unterschiede in ihren Mechanismen beschreibst.

a)

a) Beschreibe detailliert die Schritte der Replikation und Transkription bei einem typischen DNA-Virus sowie bei einem typischen RNA-Virus. Gehe insbesondere auf die Unterschiede in den jeweiligen Prozessen ein und nenne Beispiele für beide Virustypen.

Lösung:

a) Um die Replikation und Transkription von DNA-Viren und RNA-Viren zu vergleichen, müssen wir die grundlegenden Schritte dieser Prozesse detailliert beschreiben und die Unterschiede hervorheben. Hier sind die Erläuterungen für beide Virustypen:

• DNA-Viren:

• Ein Beispiel für ein DNA-Virus ist das Herpes-simplex-Virus (HSV).
• DNA-Viren haben eine DNA-Genomstruktur, die direkt als Vorlage für die Replikation und Transkription dienen kann.
• Die Replikation eines typischen DNA-Virus wie folgt verläuft:
• 1. Attachment und Penetration: Das Virus bindet an die Zelloberfläche und injiziert sein genetisches Material in die Wirtszelle.
• 2. Transport ins Zellkern: Das virale DNA-Genom wird in den Zellkern transportiert.
• 3. Transkription: Die virale DNA wird durch die zelleigenen Enzyme (RNA-Polymerase) transkribiert, um virale mRNA zu erzeugen. Diese mRNA wird danach in das Zytoplasma transportiert und in virale Proteine übersetzt.
• 4. Replikation der viralen DNA: Das virale Genom wird durch die zellulären DNA-Polymerasen repliziert.
• 5. Assembly: Die neuen viralen Genomkopien und Proteine werden zusammengebaut, um neue Virionen zu formen.
• 6. Release: Die neuen Virionen werden freigesetzt, indem sie die Wirtszelle verlassen.
• RNA-Viren:
• Ein Beispiel für ein RNA-Virus ist das Influenza-Virus.
• RNA-Viren haben eine RNA-Genomstruktur, die direkt als Vorlage für die Replikation und Transkription dienen kann oder zuerst in eine DNA-Form umgekehrt werden muss, wie im Fall von Retroviren.
• Die Replikation eines typischen RNA-Virus wie folgt verläuft:
• 1. Attachment und Penetration: Das Virus bindet an die Zelloberfläche und injiziert sein genetisches Material in die Wirtszelle.
• 2. Replikation der viralen RNA: Das virale RNA-Genom wird durch virale RNA-abhängige RNA-Polymerase repliziert. Diese Enzyme sind virusspezifisch und nicht im Zellkern vorhanden.
• 3. Transkription: Bei einem positiven-Strang-RNA-Virus (z.B. Poliovirus) kann die RNA direkt als mRNA fungieren. Bei negativen-Strang-RNA-Viren (z.B. Influenza-Virus) muss die RNA in eine komplementäre positive Strand-RNA umgeschrieben werden, die als mRNA dient.
• 4. Translation: Die viralen mRNAs werden in virale Proteine übersetzt.
• 5. Assembly: Die neuen viralen Genomkopien und Proteine werden zusammengebaut, um neue Virionen zu formen.
• 6. Release: Die neuen Virionen werden freigesetzt, indem sie die Wirtszelle verlassen.
Unterschiede:
• 1. Lage der Prozesse: DNA-Viren replizieren ihr Genom typischerweise im Zellkern der Wirtszelle, während RNA-Viren ihre Replikation und Transkription meist im Zytoplasma durchführen.
• 2. Abhängigkeit von zellulären Enzymen: DNA-Viren nutzen weitgehend die Enzyme des Wirts zur Replikation und Transkription, RNA-Viren verfügen häufig über ihre eigenen replizierenden Enzyme wie die RNA-abhängige RNA-Polymerase.
• 3. Transkriptionsvorlage: Bei DNA-Viren ist die DNA die Vorlage für die Transkription, während bei RNA-Viren die RNA selbst als Vorlage für Replikation und Transkription dient.

b)

b) Erläutere die Bedeutung der zellulären Maschinerie für die Translation der viralen mRNA sowohl in DNA- als auch in RNA-Viren. Welche Unterschiede bestehen in der Nutzung der Replikationsstrategie dieser beiden Virentypen?

Lösung:

b) Um die Bedeutung der zellulären Maschinerie für die Translation der viralen mRNA bei DNA- und RNA-Viren zu erläutern, müssen wir die Rolle der Wirts-Zellmechanismen sowie die spezifischen Nutzung der Replikationsstrategien beider Virustypen betrachten.

• Bedeutung der zellulären Maschinerie:
• Translation der viralen mRNA: Sowohl DNA- als auch RNA-Viren benötigen die zelluläre Translationseinheit der Wirtszelle (Ribosomen, tRNAs, Enzyme) für die Synthese der viralen Proteine. Die viralen mRNAs binden an die Ribosomen der Wirtszelle, wo sie in spezifische virale Proteine übersetzt werden.
• Unterstützung durch zelluläre Faktoren: Die zelluläre Maschinerie stellt nicht nur die Ribosomen bereit, sondern auch verschiedene Faktoren, die die Proteinsynthese unterstützen und regulieren.
• Unterschiede in der Replikationsstrategie:
• DNA-Viren:
• 1. DNA-Viren wie das Herpes-simplex-Virus (HSV) nutzen die zelluläre DNA-Polymerase zur Replikation ihres Genoms. Die Transkription erfolgt ebenfalls mithilfe der zellulären RNA-Polymerase II im Zellkern.
• 2. Die viralen mRNAs werden in das Zytoplasma transportiert und dort durch die Ribosomen der Wirtszelle in virale Proteine übersetzt.
• RNA-Viren:
• 1. RNA-Viren wie das Influenza-Virus replizieren ihr Genom im Zytoplasma der Wirtszelle. Sie besitzen oft virale Enzyme wie RNA-abhängige RNA-Polymerasen für die Replikation ihres Genoms.
• 2. Bei positiven-Strang-RNA-Viren (z.B. Poliovirus) kann die virale RNA direkt als mRNA fungieren und von den Ribosomen der Wirtszelle translatiert werden.
• 3. Bei negativen-Strang-RNA-Viren (z.B. Influenza-Virus) muss die virale RNA in eine komplementäre positive Strang-RNA umgeschrieben werden, die dann als mRNA dient und von den Ribosomen translatiert wird.
• Zusammenfassung der Unterschiede:
• 1. Abhängigkeit von zellulären Enzymen: DNA-Viren sind stark auf die zellulären Enzyme im Zellkern angewiesen für die Replikation und Transkription, während RNA-Viren oft ihre eigenen replizierenden Enzyme nutzen.
• 2. Replikationsort: DNA-Viren replizieren ihr Genom hauptsächlich im Zellkern, während RNA-Viren dies überwiegend im Zytoplasma tun.
• 3. mRNA-Strategien: Bei DNA-Viren wird die virale mRNA im Zellkern synthetisiert und dann ins Zytoplasma transportiert, während RNA-Viren je nach Art entweder direkt als mRNA fungieren oder erst eine mRNA-Vorlage im Zytoplasma synthetisieren.

c)

c) Gebe eine Übersicht darüber, wie behüllte und unbehüllte Viren ihre Wirtszellen verlassen. Welche Auswirkungen hat dies auf den viralen Zyklus und die Pathogenität des Virus?

Lösung:

c) Um zu verstehen, wie behüllte und unbehüllte Viren ihre Wirtszellen verlassen und wie dies den viralen Zyklus und die Pathogenität beeinflusst, müssen wir die grundlegenden Mechanismen beschreiben:

• Unterschiede zwischen behüllten und unbehüllten Viren:
• Behüllte Viren: Diese Viren besitzen eine Lipidmembran, die als Hülle bezeichnet wird. Sie erwerben diese Hülle typischerweise aus der Zellmembran der Wirtszelle, während sie die Zelle verlassen.
• Unbehüllte Viren: Diese Viren besitzen keine Hülle und bestehen lediglich aus einem Nukleokapsid, das das genetische Material umschließt.
• Mechanismen des Verlassens der Wirtszelle:
• Behüllte Viren:
• 1. Knospung (Budding): Behüllte Viren verlassen die Wirtszelle überwiegend durch einen Prozess, der Knospung genannt wird. Dabei wird ein Teil der Wirtszellmembran als virale Hülle genutzt. Der Vorgang läuft wie folgt ab:
• a. Das virale Nukleokapsid bewegt sich zur Zellmembran.
• b. Die Virusproteine binden an die Innenfläche der Zellmembran.
• c. Die Membran wölbt sich nach außen und umschließt das Nukleokapsid.
• d. Das Virus schnürt sich ab und nimmt dabei ein Stück der Zellmembran als Hülle mit.
• 2. Freiwerden von der Wirtszelle: Dieser Prozess verursacht normalerweise keinen sofortigen Tod der Wirtszelle, was eine kontinuierliche Virusproduktion ermöglicht.
• Unbehüllte Viren:
• 1. Lyse der Wirtszelle: Unbehüllte Viren verlassen die Wirtszelle gewöhnlich durch einen Prozess, der Lyse genannt wird. Dies führt zu einem Zerreißen der Zellmembran und dem Tod der Zelle. Der Prozess läuft wie folgt ab:
• a. Die replikierten Viruspartikel akkumulieren im Zytoplasma der Wirtszelle.
• b. Virusinduzierte Enzyme schwächen die Zellmembran.
• c. Die Zellmembran bricht auf, und die Viruspartikel werden freigesetzt.
• d. Die Freisetzung der Viruspartikel führt zum Tod der Wirtszelle.
• Auswirkungen auf den viralen Zyklus und die Pathogenität:
• Bei behüllten Viren:
• 1. Kontinuierliche Freisetzung: Da die Wirtszelle nicht sofort stirbt, können behüllte Viren kontinuierlich neue Viruspartikel freisetzen. Dies kann zu einer länger anhaltenden Infektion führen.
• 2. Umgehung des Immunsystems: Die Hülle, die von der Wirtszelle stammt, kann dabei helfen, das Immunsystem des Wirts zu umgehen und die Erkennung durch das Immunsystem zu erschweren.
• Bei unbehüllten Viren:
• 1. Schnelle Verbreitung: Da unbehüllte Viren durch Lyse freigesetzt werden, können sie schnell große Mengen von Viruspartikeln in die Umgebung freisetzen, was zu einer akuten und potenziell schweren Infektion führen kann.
• 2. Hohe Pathogenität: Der Tod der Wirtszellen durch Lyse kann erheblichen Schaden in den betroffenen Geweben verursachen, was zu einer hohen Pathogenität des Virus beiträgt.

Aufgabe 3)

Molekulare Mechanismen der Virulenz: Viren nutzen verschiedene Mechanismen, um Pathogenität und Infektionsfähigkeit zu erwerben und aufrechtzuerhalten. Diese umfassen die Adhäsion an Wirtszellen, die Aufnahme in Wirtszellen durch Fusion oder Endozytose, die Replikation des Virusgenoms durch Nutzung der zellulären Maschinerie, die Umgehung des Immunsystems, die Verursachung von Zellschäden sowie den Einsatz von Virulenzfaktoren wie Proteinen und Enzymen.

a)

a) Beschreibe detailliert den Prozess der Virenadhäsion an die Wirtszellenoberfläche. Führe spezifische Beispiele von Virusrezeptoren und deren Wirtszellen-Zielstrukturen auf.

Lösung:

• Virenadhäsion an die Wirtszellenoberfläche:

Die Adhäsion eines Virus an die Wirtszellenoberfläche ist der erste Schritt im Infektionsprozess und entscheidend für die virale Pathogenität. Diese Adhäsion ist spezifisch und wird durch die Interaktion zwischen viralen Proteinen (Virusrezeptoren) und molekularen Strukturen auf der Oberfläche der Wirtszelle (Wirtszellen-Zielstrukturen) vermittelt. Der Prozess kann in mehrere Schritte unterteilt werden:

• 1. Anhaften: Das Virus erkennt und bindet spezifische Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle. Diese Bindung ist oft hoch spezifisch und hängt von der Kompatibilität der Strukturen zwischen Virus und Wirt ab.
• 2. Bindung: Nach initialem Kontakt verstärken zusätzliche Wechselwirkungen die Bindung, wodurch die Stabilität der Interaktion erhöht wird. Diese Wechselwirkungen können durch zusätzliche virale und zelluläre Proteine vermittelt werden.
• 3. Konformationsänderung: Die Bindung kann Konformationsänderungen im Virus und/oder im Wirtszellenrezeptor induzieren, die für die nächsten Schritte der Virusaufnahme wichtig sind.

Einige spezifische Beispiele von Viren und ihren Rezeptoren sind:

• HIV (Human Immunodeficiency Virus):
  • Virusrezeptor: Glykoprotein gp120
  • Zielstruktur auf der Wirtszelle: CD4-Molekül auf T-Helferzellen
  • Korezeptoren: CCR5 oder CXCR4, die als Korezeptoren fungieren und für die Fusion notwendig sind
• Influenza-Virus:
  • Virusrezeptor: Hämagglutinin (HA)
  • Zielstruktur auf der Wirtszelle: Sialinsäure-Reste auf Glykoproteinen und Glykolipiden der epithelialen Zellen der Atemwege
• SARS-CoV-2 (Coronavirus):
  • Virusrezeptor: Spike-Protein (S-Protein)
  • Zielstruktur auf der Wirtszelle: Angiotensin-konvertierendes Enzym 2 (ACE2) auf zahlreichen Zelltypen, einschließlich Epithelzellen der Atemwege und gastrointestinalen Zellen

Durch diese spezifischen Interaktionen können Viren gezielt Zellen infizieren und ihren Replikationszyklus starten.

b)

b) Erkläre den Unterschied zwischen der Endozytose und der Fusion als Mechanismen der Virusaufnahme in die Wirtszelle. Welche Faktoren beeinflussen, welchen Prozess ein Virus bevorzugt?

Lösung:

• Endozytose vs. Fusion als Mechanismen der Virusaufnahme:

Viren können ihre genetische Information auf zwei Hauptwegen in die Wirtszelle bringen: durch Endozytose oder durch Fusion. Diese Prozesse unterscheiden sich erheblich in ihrem Mechanismus und im Ablauf.

• 1. Endozytose:Viren nutzen die natürlichen zellulären Endozytosewege, um in die Wirtszelle einzudringen. Dies geschieht oft durch eine der folgenden Prozesse:
• Clathrin-vermittelte Endozytose: Viren binden an Rezeptoren auf der Zelloberfläche und induzieren die Bildung einer Clathrin-beschichteten Grube, die sich abschnürt und ein Vesikel bildet, das das Virus enthält.
• Caveolin-vermittelte Endozytose: Ähnlich wie die Clathrin-vermittelte Endozytose, aber die Vesikelbildung wird durch Caveolin-Proteine unterstützt und führt zu einer anderen Art von Vesikel.
• Makropinozytose: Einige Viren induzieren große Einfaltungen der Zellmembran, die große Mengen an extrazellulärem Material, einschließlich des Virus, in die Zelle aufnehmen.
• 2. Fusion:Dieser Mechanismus wird hauptsächlich von behüllten Viren genutzt und beinhaltet die direkte Verschmelzung der viralen Hülle mit der Zellmembran. Der Prozess umfasst:
• Erkennung und Bindung: Das Virus bindet an spezifische Rezeptoren auf der Wirtszelle.
• Konformationsänderung: Die Bindung induziert Konformationsänderungen in viralen Proteinen, die es dem Virus ermöglichen, nahe an die Zellmembran heranzukommen.
• Fusion der Membranen: Virale Fusionsproteine medieren die Verschmelzung der viralen und zellulären Membranen, sodass das virale Genom direkt in das Zytoplasma freigesetzt wird.
• Faktoren, die den bevorzugten Aufnahmeweg beeinflussen:
• Virentyp und Struktur: Behüllte Viren bevorzugen oft den Fusionsweg, während nackte Viren (ohne Hülle) häufiger die Endozytose nutzen.
• Rezeptorverfügbarkeit: Die Art der auf der Wirtszelle verfügbaren Rezeptoren beeinflusst den Aufnahmeweg. Bestimmte Rezeptoren können einen Weg gegenüber dem anderen bevorzugen.
• Zelltyp: Verschiedene Zelltypen haben unterschiedliche Endozytosemechanismen und -frequenzen, die den bevorzugten Weg beeinflussen können.
• Umgebungsbedingungen: Faktoren wie pH-Wert und Temperatur können bestimmte Endozytosewege begünstigen oder behindern. Zum Beispiel kann ein niedriger pH-Wert in Endosomen die Freisetzung des viralen Genoms fördern.
• Virale Anpassungen: Einige Viren haben spezielle Proteine entwickelt, die bestimmte Aufnahmewege fördern. Zum Beispiel haben Viren spezifische Fusionsproteine oder Endozytosetrigger, die die Effizienz ihrer bevorzugten Eintrittsmechanismen erhöhen.

Zusammengefasst wählen Viren ihren Eintrittsmechanismus basierend auf strukturellen Eigenschaften, verfügbaren Rezeptoren, Zelltyp, Umweltbedingungen und spezifischen viralen Anpassungen.

c)

c) Die Immunevasion ist essenziell für die Persistenz von Viren im Wirt. Beschreibe drei verschiedene Mechanismen, durch die Viren das Immunsystem umgehen können. Wie tragen diese Mechanismen zur Langzeitinfektion bei?

Lösung:

• Immunevasion durch Viren:

Die Fähigkeit von Viren, dem Immunsystem des Wirts zu entgehen, ist entscheidend für ihre Persistenz und Langzeitinfektion. Verschiedene Viren haben unterschiedliche Strategien entwickelt, um die Immunantwort zu umgehen oder zu unterdrücken. Hier sind drei bedeutende Mechanismen beschrieben:

• 1. Antigenvariation:
• Viren können ihre Oberflächenproteine, die vom Immunsystem erkannt werden, durch Mutationen oder Neukombinationen verändern. Beispiele hierfür sind das Influenza-Virus und das HIV.
• Beispiel: Das Influenza-Virus zeigt zahlreiche Veränderungen in seinen Hämagglutinin (HA)- und Neuraminidase (NA)-Proteinen durch Antigendrift (punktuelle Mutationen) und Antigenshift (Rekombination ganzer Genomsegmente), was zu saisonalen Influenza-Epidemien führt.
• Beitrag zur Langzeitinfektion: Durch die ständige Veränderung ihrer Antigene können Viren der Erkennung durch das Immunsystem entgehen, was zu wiederkehrenden Infektionen oder einer Verlängerung der Infektionsdauer führt.
• 2. Hemmung der Antigenpräsentation:
• Einige Viren haben Mechanismen entwickelt, um die Präsentation ihrer Antigene auf der Zelloberfläche zu verhindern oder zu reduzieren. Dies geschieht häufig durch die Hemmung des Major Histocompatibility Complex (MHC)-I oder MHC-II Systems.
• Beispiel: Das Herpes-simplex-Virus (HSV) produziert Proteine, die das TAP-Transporter-System (Transporter Associated with Antigen Processing) hemmen, wodurch die Präsentation viraler Peptide auf MHC-I Molekülen unterdrückt wird.
• Beitrag zur Langzeitinfektion: Durch die Vermeidung der Erkennung und Zerstörung durch zytotoxische T-Zellen kann das Virus über längere Zeiträume in Wirtszellen persistieren.
• 3. Induktion immunmodulatorischer Moleküle:
• Viren können Moleküle produzieren oder die Expression wirtsmodulierender Proteine triggern, die die Immunantwort unterdrücken. Dies kann die Produktion von Zytokinen und Chemokinen beeinflussen.
• Beispiel: Das Epstein-Barr-Virus (EBV) produziert ein virales Interleukin-10 (vIL-10), das starke immunsuppressive Eigenschaften besitzt und die Aktivität zytotoxischer T-Zellen hemmt.
• Beitrag zur Langzeitinfektion: Durch die Unterdrückung der Immunantwort können Viren in einem immunsuppressiven Milieu verbleiben und sich langfristig im Wirt etablieren, oft ohne akute Symptome zu verursachen.

Zusammengefasst helfen diese Mechanismen den Viren, sich vor der Immunerkennung zu schützen und eine langfristige Präsenz im Wirt aufrechtzuerhalten. Dies kann zu chronischen Infektionen führen, bei denen Viren über Monate oder Jahre im Körper verbleiben und möglicherweise spätere Erkrankungen auslösen können.

d)

d) Einige Viren verursachen starke Zellschädigungen während des Infektionsverlaufs. Diskutiere die zytopathischen Effekte und die Rolle der zellulären Entzündungsreaktionen. Verwende dabei mathematische Modelle, um die Geschwindigkeit der Virusausbreitung und den damit verbundenen Schaden zu beschreiben.

Lösung:

• Zytopathische Effekte und Zelluläre Entzündungsreaktionen:

Einige Viren verursachen während ihres Infektionsverlaufs erhebliche Zellschädigungen, sogenannte zytopathische Effekte (CPEs). Diese Effekte und die resultierenden zellulären Entzündungsreaktionen sind entscheidend für die Krankheitsentwicklung und -progression. Hier sind einige wichtige Punkte diskutiert:

• Zytopathische Effekte (CPEs):
• Direkte Virus-induzierte Zelllyse: Einige Viren replizieren in Wirtszellen, was zu deren Aufbrechen und Tod führt, um neue Viruspartikel freizusetzen. Ein Beispiel ist das Poliovirus.
• Synzytienbildung: Einige Viren, wie das Respiratorische Synzytial-Virus (RSV), verursachen die Fusion benachbarter Zellen, was zur Bildung von mehrkernigen Riesenzellen (Synzytien) führt.
• Apoptose: Viele Viren induzieren den programmierten Zelltod der infizierten Zellen, um sich vor der Immunantwort zu schützen und die Freisetzung neuer Viruspartikel zu erleichtern. Ein Beispiel ist das HIV.
• Zelluläre Entzündungsreaktionen:
• Durch Virusinfektion induzierte Zytokine: Infizierte Zellen produzieren proinflammatorische Zytokine und Chemokine, die Immunzellen an den Infektionsort rekrutieren. Diese Reaktion kann zu Entzündungen und Gewebsschäden führen.
• Immunzellen-vermittelte Schäden: NK-Zellen, Makrophagen und T-Zellen greifen infizierte Zellen an und können dabei auch benachbarte, nicht infizierte Zellen schädigen.
• Mathematische Modelle zur Beschreibung der Virusausbreitung und des Schadens:

Mathematische Modelle sind hilfreich, um die Dynamik der Virusausbreitung und die resultierenden Schäden zu verstehen. Dabei werden verschiedene Parameter berücksichtigt, wie die Virusreproduktionsrate und die Immunantwort des Wirts. Hier ist ein einfaches Beispiel eines Differentialgleichungsmodells:

• 1. Basisreproduktionsrate (R₀):
• Die Basisreproduktionsrate R₀ gibt an, wie viele neue Infektionen ein einzelnes infiziertes Individuum in einer vollständig empfänglichen Population erzeugt.
• R₀ kann mathematisch als Verhältnis von Infektionsrate \( \beta \) zur Erholungsrate \(u\) beschrieben werden:

Aufgabe 4)

Strategien der Viren zur Umgehung des Immunsystems:Viren haben verschiedene Mechanismen entwickelt, um das Immunsystem zu umgehen und eine persistente Infektion zu ermöglichen.

• Antigenvariation: Veränderung von Oberflächenproteinen, um vom Immunsystem nicht erkannt zu werden
• Immunsuppression: Hemmung der Immunantwort durch spezifische Proteine
• Inhibition der Antigenpräsentation: Verhinderung der MHC-I oder MHC-II Präsentation
• Induktion von Apoptose in Immunzellen
• Veränderung zellulärer Signalwege: Eingriff in Signaltransduktionskaskaden
• Verstecken in Immun-privilegierten Geweben: z.B. im Nervensystem
• Verwendung von viralen Zytokinen und Chemokinen

a)

Erkläre, wie die Antigenvariation bei Influenzaviren funktioniert und wie häufig diese Veränderungen auftreten. Welche biologischen Konsequenzen hat dies für die Virusbekämpfung durch das Immunsystem?

Lösung:

Antigenvariation bei Influenzaviren:

Die Antigenvariation bei Influenzaviren ist ein wichtiger Mechanismus, der diesen Viren hilft, das Immunsystem zu umgehen. Dieser Mechanismus funktioniert hauptsächlich durch zwei Prozesse:

• Antigendrift: Hierbei handelt es sich um kleine, allmähliche Mutationen in den Genen, die für die Oberflächenproteine Hämagglutinin (HA) und Neuraminidase (NA) codieren. Diese kleinen Veränderungen treten häufig auf und führen dazu, dass die neuen Virusvarianten vom Immunsystem nicht mehr erkannt werden.
• Antigenshift: Dieser Prozess tritt seltener auf, ist aber bedeutender. Dabei kommt es zu einer plötzlichen, drastischen Veränderung der Oberflächenproteine durch Neukombination genetischer Segmente. Dies geschieht vor allem, wenn zwei verschiedene Influenzaviren gleichzeitig eine Wirtszelle infizieren und genetisches Material austauschen. Die entstehenden neuen Virusvarianten können vom Immunsystem nicht erkannt werden, da sie völlig neue Oberflächenstrukturen aufweisen.

Häufigkeit der Veränderungen: Antigene Drift tritt kontinuierlich und relativ häufig auf, was dazu führt, dass die Influenzaviren jedes Jahr leicht variieren. Antigenshift hingegen ist seltener, tritt jedoch in unregelmäßigen Abständen auf und kann zu pandemischen Ausbrüchen führen.

Biologische Konsequenzen:

• Durch die kontinuierliche Veränderung der Oberflächenproteine kann das Immunsystem vorhergehende Varianten des Virus nicht erkennen und ist somit nicht in der Lage, eine effektive Immunantwort einzuleiten.
• Das Wiederauftreten der Infektion wird dadurch erleichtert, dass das Immunsystem jedes Mal neu auf die veränderten Virusvarianten reagieren muss.
• Immunologische Gedächtniszellen, die vorherige Influenzaviren erkannt hatten, sind gegen die neuen Varianten weniger wirksam.
• In der öffentlichen Gesundheitsvorsorge führt dies zur Notwendigkeit einer jährlichen Anpassung des Grippeimpfstoffs, um die aktuelle Virusvariation zu berücksichtigen.

b)

Viele Viren können die Antigenpräsentation durch MHC-Moleküle inhibieren. Beschreibe den Mechanismus, durch den Herpesviren die MHC-I Präsentation hemmen. Warum ist es für das Virus vorteilhaft, die Antigenpräsentation zu blockieren?

Lösung:

Inhibition der MHC-I Präsentation durch Herpesviren:

Herpesviren haben mehrere raffinierte Mechanismen entwickelt, um die Antigenpräsentation durch MHC-I (Major Histocompatibility Complex Klasse I) Moleküle zu inhibieren. MHC-I Moleküle sind für die Präsentation von Peptid-Antigenen aus intrazellulären Proteinen verantwortlich und ermöglichen es zytotoxischen T-Zellen, infizierte Zellen zu erkennen und zu zerstören.

Hier sind einige Mechanismen, durch die Herpesviren die MHC-I Präsentation hemmen:

• Störung der MHC-I Synthese: Einige Herpesviren produzieren Proteine, die die Synthese von MHC-I Molekülen in der infizierten Zelle hemmen.
• Retention im Endoplasmatischen Retikulum (ER): Virale Proteine können die MHC-I Moleküle im ER fangen und verhindern, dass sie zur Zelloberfläche transportiert werden. Ein Beispiel ist das US6-Protein aus dem humanen Cytomegalovirus (HCMV), das den Transport von MHC-I Molekülen behindert.
• Zerstörung von MHC-I Molekülen: Einige Herpesviren kodieren für Proteine, die die MHC-I Moleküle ubiquitinieren und somit ihre Zerstörung durch das Proteasom einleiten. Ein Beispiel ist das ICP47-Protein des Herpes Simplex Virus (HSV), das den Transporter assoziierten Antigenprozess (TAP) hemmt und damit die Peptidladung der MHC-I Moleküle verhindert.
• Hemmung des TAP-Komplexes: Der TAP-Komplex ist essenziell für den Transport von Peptiden in das ER, wo sie auf MHC-I Moleküle geladen werden. ICP47 von HSV bindet an TAP und verhindert so den Transport der Peptide.

Vorteile der Blockierung der Antigenpräsentation:

• Entkommen der Immunüberwachung: Durch die Hemmung der MHC-I Präsentation verhindern die Viren, dass infizierte Zellen von zytotoxischen T-Zellen erkannt und zerstört werden.
• Längere Überlebenszeit der Wirtszellen: Da infizierte Zellen nicht erkannt und eliminiert werden, können sie länger überleben und somit mehr Viren produzieren, was die Vermehrung und Verbreitung des Virus erleichtert.
• Vermeidung der Immunantwort: Durch die Inhibition der MHC-I Präsentation wird die Aktivierung von zytotoxischen T-Zellen blockiert, wodurch die gesamte adaptive Immunantwort gegen das Virus geschwächt wird.

Insgesamt ermöglicht die Hemmung der MHC-I Präsentation den Herpesviren eine effektivere Vermehrung und Ausbreitung im Wirt, indem sie dem Immunsystem entgehen.

c)

Rechne die Mutationsrate eines RNA-Virus aus, wenn bekannt ist, dass es während einer einzigen Replikationsrunde 10 Mutationen pro Kilobase (kb) seiner 12 kb langen RNA erhält. Wie beeinflusst diese Mutationsrate die Fähigkeit des Virus, dem Immunsystem zu entkommen?

Lösung:

Mutationsrate eines RNA-Virus berechnen:

Um die Mutationsrate eines RNA-Virus zu berechnen, gehen wir schrittweise vor:

• Bekannte Daten: Das Virus erhält 10 Mutationen pro Kilobase (kb) seiner RNA während einer einzigen Replikationsrunde.
• Die RNA des Virus ist 12 kb lang.

Zuerst berechnen wir die Gesamtanzahl der Mutationen, die das Virus in einer Replikationsrunde erhält:

Formel:

• Mutationen pro kb: 10 Mutationen
• Länge der RNA: 12 kb
• Gesamtanzahl der Mutationen = Mutationen pro kb * Länge der RNA
• Gesamtanzahl der Mutationen = 10 * 12 = 120

Die Mutationsrate beträgt daher 120 Mutationen pro Replikationsrunde für die gesamte 12 kb lange RNA des Virus.

Einfluss dieser Mutationsrate auf die Fähigkeit des Virus, dem Immunsystem zu entkommen:

• Hohe Variabilität der Viruspopulation: Eine hohe Mutationsrate führt zu einer großen genetischen Diversität in der Viruspopulation. Dies bedeutet, dass sich das Virus ständig verändert, was es dem Immunsystem erschwert, alle Varianten zu erkennen und zu bekämpfen.
• Erhöhte Wahrscheinlichkeit von Immunfluchtmutationen: Durch die hohe Mutationsrate entstehen häufiger Mutationen in den Genen, die für die Oberflächenproteine des Virus kodieren. Dies kann dazu führen, dass Antikörper und T-Zell-Rezeptoren des Immunsystems diese mutierten Viruspartikel nicht mehr effektiv erkennen.
• Schnelle Anpassung an Selektionsdruck: Die hohe Mutationsrate ermöglicht es dem Virus, sich schnell an Veränderungen im Selektionsdruck anzupassen, z.B. durch Immunantworten des Wirts oder antivirale Behandlungen. Dies verbessert die Überlebens- und Replikationsfähigkeit des Virus.
• Potenzielle Nachteile: Allerdings kann eine extrem hohe Mutationsrate auch schädlich sein, da viele Mutationen schädlich oder sogar tödlich für das Virus sein können. Trotzdem findet das Virus oft ein Gleichgewicht, bei dem genügend vorteilhafte Mutationen entstehen, um dem Immunsystem zu entkommen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hohe Mutationsrate eines RNA-Virus seine Fähigkeit, dem Immunsystem zu entkommen, erheblich verbessert, indem sie eine große genetische Diversität und das häufige Auftreten von Immunfluchtmutationen ermöglicht.

d)

Beschreibe, wie Viren die Signaltransduktionskaskaden in Wirtszellen manipulieren, um die Immunantwort zu unterdrücken. Gib spezifische Beispiele von Viren und den jeweiligen Signalwegen, die betroffen sind.

Lösung:

Manipulation von Signaltransduktionskaskaden durch Viren:

Viren haben im Laufe ihrer Evolution komplexe Mechanismen entwickelt, um die Signaltransduktionskaskaden ihrer Wirtszellen zu manipulieren und dadurch die Immunantwort zu unterdrücken. Diese Manipulationen helfen den Viren, sich zu replizieren und persistente Infektionen zu etablieren. Hier sind einige spezifische Beispiele:

• Hemmung des Interferon-Signalwegs durch das Hepatitis-C-Virus (HCV): Interferone spielen eine zentrale Rolle in der antiviralen Immunantwort. HCV kodiert für das NS3/4A-Protein, das die Signaltransduktion im Interferonpfad hemmt, indem es den Adapterprotein-Komplex TRIF (TIR-domain-containing adapter-inducing interferon-β) und den RIG-I (Retinoische-Säure-induzierbares Gen I) Signalweg abbaut. Dadurch wird die Produktion von Interferonen und die anschließende antivirale Antwort unterdrückt.
• Manipulation des NF-κB-Signalwegs durch das Epstein-Barr-Virus (EBV): NF-κB ist ein Transkriptionsfaktor, der für die Produktion proinflammatorischer Zytokine und die Aktivierung von Immunzellen verantwortlich ist. EBV produziert das LMP1 (Latentes Membranprotein 1), das den NF-κB-Weg aktiviert, um eine chronische Entzündungsreaktion zu induzieren und gleichzeitig die Zellproliferation zu stimulieren. Dies hilft dem Virus, in latency (Latenz) zu verbleiben und die zelluläre Umwelt zu seinen Gunsten zu modifizieren.
• Hemmen des JAK-STAT-Signalwegs durch das Mumpsvirus: Der JAK-STAT-Signalweg ist entscheidend für die Signalübertragung durch Zytokine und Interferone. Das Mumpsvirus kodiert für das V-Protein, das die Signaltransduktion in diesem Weg hemmt, indem es den Abbau von STAT1 und STAT2, wichtigen Signalproteinen, induziert. Dadurch wird die antivirale Antwort der Wirtszelle unterdrückt.
• Manipulation des Apoptose-Signalwegs durch das Humane Papillomavirus (HPV): Apoptose ist ein programmierter Zelltodmechanismus, der infizierte Zellen abtöten kann. HPV produziert das E6-Protein, das das Tumorsuppressorprotein p53 abbaut. p53 induziert normalerweise Apoptose in gestressten oder beschädigten Zellen. Durch den Abbau von p53 unterdrückt HPV die Apoptose und ermöglicht es infizierten Zellen, zu überleben und das Virus weiter zu replizieren.

Zusammenfassend: Die Manipulation von Signaltransduktionswegen durch Viren ist ein wichtiger Mechanismus, um die Immunantwort zu unterdrücken und eine persistente Infektion zu begünstigen. Diese Mechanismen ermöglichen es den Viren, das Immunsystem zu umgehen, die zelluläre Umwelt zu ihren Gunsten zu modifizieren und die Replikation zu fördern. Indem spezifische Signalwege wie der Interferon, NF-κB, JAK-STAT und Apoptoseweg beeinflusst werden, sichern sich die Viren ihr Überleben im Wirt.