Fachmodul Virologie I - Exam

Aufgabe 1)

Definition und Klassifizierung von Viren: Viren sind infektiöse Partikel, die aus Nukleinsäure (DNA oder RNA) und einer Proteinhülle bestehen. Sie können sich nur in Wirtszellen replizieren. Es gibt verschiedene Kriterien zur Klassifizierung von Viren, darunter:

• Größenbereich: 20-300 nm
• Klassifizierung nach Genomtyp (dsDNA, ssDNA, dsRNA, ssRNA+/-)
• Klassifizierung nach Kapsidform (ikosaedrisch, helikal, komplex)
• Klassifizierung nach Wirt (Tier-, Pflanzen-, Bakterienviren)
• Klassifikation nach Baltimore-System (I-VII)

a)

Beschreibe das Baltimore-Klassifizierungssystem für Viren und erläutere die Unterschiede zwischen den sieben Gruppen. Gehe dabei insbesondere auf die verschiedenen Genomtypen und die Mechanismen der Genomreplikation ein.

Lösung:

Das Baltimore-Klassifizierungssystem für Viren:

Das Baltimore-Klassifizierungssystem wurde von David Baltimore entwickelt und ist eine Methode zur Einteilung von Viren basierend auf ihrem Genomtyp und den unterschiedlichen Mechanismen der Genomreplikation. Es gibt sieben Hauptgruppen im Baltimore-System, die jeweils durch spezifische Merkmale gekennzeichnet sind.

• Gruppe I: Diese Viren besitzen ein doppelsträngiges DNA-Genom (dsDNA). Beispiele sind Herpesviren und Pockenviren. Die Replikation erfolgt im Zellkern der Wirtszelle und nutzt die zelluläre DNA-Polymerase für die Synthese.
• Gruppe II: Diese Viren haben ein einzelsträngiges DNA-Genom (ssDNA). Parvoviren sind ein Beispiel. Vor der Replikation wird das ssDNA-Genom in eine dsDNA-Form umgewandelt, welche dann durch Zellpolymerasen repliziert wird.
• Gruppe III: Diese Viren besitzen ein doppelsträngiges RNA-Genom (dsRNA). Reoviridae, wie Rotaviren, sind Beispiele. Diese Viren benötigen eigene RNA-abhängige RNA-Polymerasen, um ihre mRNA zu synthetisieren, da die Wirtszellen normalerweise keine Enzyme für die Transkription von RNA aus RNA haben.
• Gruppe IV: Diese Viren haben ein positives einzelsträngiges RNA-Genom (ssRNA+). Beispiele sind Poliovirus und Rhinovirus. Ihr Genom kann direkt als mRNA dienen, die von den Ribosomen der Wirtszelle translatiert wird.
• Gruppe V: Diese Viren besitzen ein negatives einzelsträngiges RNA-Genom (ssRNA-). Beispiele sind Influenza- und Masernviren. Diese Viren müssen eine RNA-abhängige RNA-Polymerase mitbringen, um eine komplementäre positive RNA-Strang für die Translation zu erzeugen.
• Gruppe VI: Diese Viren besitzen eine positive einzelsträngige RNA (ssRNA+), die jedoch mithilfe der reversen Transkriptase in eine doppelsträngige DNA integriert wird. Retroviren wie HIV gehören zu dieser Gruppe. Das virale RNA-Genom wird zuerst in dsDNA umgeschrieben, die dann ins Wirtsgenom integriert wird, um transkribiert zu werden.
• Gruppe VII: Diese Viren haben ein doppelsträngiges DNA-Genom (dsDNA), das Lücken enthält und mittels einer RNA-Zwischenstufe repliziert wird. Ein Beispiel sind die Hepatitis-B-Viren. Nach der Infektion wird das lückenhafte dsDNA-Genom in eine vollständige dsDNA-Form repariert, transkribiert in RNA und dann zurück in DNA mittels reverser Transkriptase.

Durch das Verständnis des Baltimore-Klassifizierungssystems können Forscher und Mediziner besser nachvollziehen, wie verschiedene Viren replizieren und welche Mechanismen es zu bekämpfen gilt.

b)

Bestimme die wahrscheinliche Kapsidstruktur (ikosaedrisch, helikal, komplex) eines Virus mit einem ssRNA-Genom basierend auf den typischen Eigenschaften dieser Genomtyp-Kapsidstruktur-Kombination.

Lösung:

Bestimmung der wahrscheinlichen Kapsidstruktur eines Virus mit einem ssRNA-Genom:

Die Kapsidstruktur von Viren kann sehr variabel sein und hängt oft vom Genomtyp ab. Viren mit einem einzelsträngigen RNA-Genom (ssRNA) zeigen typische Kapsidstrukturen, die eng mit ihrer Replikationsweise und ihrem Lebenszyklus verknüpft sind. Die beiden häufigsten Kapsidstrukturen bei ssRNA-Viren sind:

• Ikosaedrisch: Diese Kapsidstruktur ist häufig bei ssRNA-Viren, die Tiere oder Menschen infizieren. Beispiele für ikosaedrische ssRNA-Viren sind das Poliovirus und das Hepatitis-A-Virus. Die ikosaedrische Struktur ist hochsymmetrisch und bietet eine stabile Hülle für das virale Genom.
• Helikal: Diese Kapsidstruktur ist typisch für viele ssRNA-Viren, insbesondere solche, die Pflanzen infizieren, aber auch für einige Tier- und menschliche Viren. Ein bekanntes Beispiel für ein ssRNA-Virus mit helikalem Kapsid ist das Influenzavirus. Die helikale Struktur besteht aus einer spiralförmigen Anordnung von Proteinen, die das RNA-Genom umhüllen und schützen.

Eine komplexe Kapsidstruktur ist weniger häufig bei ssRNA-Viren. Komplexe Kapsidstrukturen findet man eher bei großen DNA-Viren, wie beispielsweise Pockenviren.

Basierend auf den typischen Eigenschaften von Kapsidstrukturen bei ssRNA-Viren, wäre die wahrscheinlichste Kapsidstruktur für ein Virus mit einem ssRNA-Genom entweder ikosaedrisch oder helikal. Die spezifische Wahl zwischen diesen beiden Strukturen könnte weiter durch zusätzliche Kenntnisse über den Wirt des Virus (z.B. Tier- oder Pflanzenwirt) und weitere virale Eigenschaften geprägt sein.

c)

Ein Virus gehört zur Klasse der dsDNA-Viren und hat eine ikosaedrische Kapsidstruktur. Berechne den Durchmesser des Kapsids unter der Annahme, dass die Kapsidlänge 50 nm beträgt und es eine perfekte ikosaedrische Geometrie besitzt. Verwende dazu die Gleichung für die Diagonale eines regelmäßigen Ikosaeders: \[D = a \sqrt{3}\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)\] da hier die Länge einer Seite des Dreiecks (a) mit der Länge des Kapsids gleichzusetzen ist.

Lösung:

Berechnung des Durchmessers eines ikosaedrischen Kapsids:

Ein Virus, das zur Klasse der dsDNA-Viren gehört und eine ikosaedrische Kapsidstruktur besitzt, erfordert die Berechnung des Kapsiddurchmessers unter Verwendung der Gleichung für die Diagonale eines regelmäßigen Ikosaeders. Hierbei wird die Kapsidlänge (a) als Länge einer Seite des Dreiecks angenommen.

Die Gleichung für die Diagonale eines regelmäßigen Ikosaeders lautet:

\[D = a \sqrt{3} \left(\frac{1 +\sqrt{5}}{2}\right)\]

Angenommen, die Kapsidlänge (a) beträgt 50 nm:

\[D = 50 \times \sqrt{3} \left(\frac{1 +\sqrt{5}}{2}\right)\]

Wir beginnen mit der Berechnung des Terms innerhalb der Klammern:

\[\frac{1 + \sqrt{5}}{2}\ = \frac{1 + 2.236}{2}\ = \frac{3.236}{2}\ = 1.618\]

Nun können wir den gesamten Ausdruck berechnen:

\[D = 50 \times \sqrt{3} \times 1.618\]

Wir wissen, dass die Quadratwurzel von 3 etwa 1.732 beträgt:

\[D = 50 \times 1.732 \times 1.618\]

Multiplizieren der Werte ergibt:

\[D ≈ 50 \times 2.800\]

\[D ≈ 86.0 \text{nm}\]

Daher beträgt der Durchmesser des ikosaedrischen Kapsids ungefähr 86.0 nm.

Aufgabe 2)

Mechanismen viraler Eindringung und VerbreitungProzesse und Strategien, die Viren nutzen, um in Wirtszellen einzudringen und sich im Organismus auszubreiten:

• Eindringen: Adsorption, Penetration und Uncoating
• Adsorption: Virus bindet an spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche
• Penetration: Fusion oder Endozytose
• Uncoating: Freisetzung des viralen Genoms in das Zellinnere
• Verbreitung: Zell-zu-Zell-Ausbreitung, Blutkreislauf (Viremie), Nervensystem (neuronaler Transport)
• Zell-zu-Zell: Synapse-ähnliche Strukturen, Filopodien
• Viremie: Primäre und sekundäre Phasen
• Neuronaler Transport: Retrograder und anterograder Transport entlang von Axonen

a)

Beschreibe den Prozess der viralen Adsorption im Detail. Welche Rolle spielen spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche und wie können Mutationen in diesen Rezeptoren die Anfälligkeit eines Organismus für eine Virusinfektion beeinflussen?

Lösung:

Beschreibung des Prozesses der viralen AdsorptionDer Prozess der viralen Adsorption ist der erste Schritt der Virusinfektion, bei dem das Virus an spezifische Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle bindet. Dieser Prozess ist entscheidend für die Spezifität der Infektion und die Fähigkeit des Virus, in die Zelle einzudringen.

• Spezifische Rezeptoren: Viren besitzen Oberflächenproteine oder -glykoproteine, die als Liganden fungieren und an spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche binden. Diese Rezeptoren sind oft Proteine oder Glykoproteine, die physiologische Funktionen in der Zelle übernehmen. Ihre Struktur entspricht genau den Viren, was eine exakte Bindung ermöglicht.
• Bindungsmechanismus: Die Bindung zwischen den viralen Liganden und den zellulären Rezeptoren erfolgt über nicht-kovalente Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrücken, elektrostatische Wechselwirkungen und van-der-Waals-Kräfte. Diese spezifische Interaktion stellt sicher, dass das Virus an die richtige Zellart bindet.
• Initiale Kontaktaufnahme: Die Adsorption kann die Konformationsänderung sowohl des viralen Proteins als auch des zellulären Rezeptors induzieren, was die Affinität der Bindung erhöht und den nachfolgenden Eintritt des Virus in die Zelle erleichtert.

Rolle spezifischer Rezeptoren:Die spezifischen Rezeptoren spielen eine entscheidende Rolle dabei, welche Zellen und Organismen ein Virus infizieren kann. Unterschiedliche Viren haben unterschiedliche Zielrezeptoren, die die Wirts- und Zelltypspezifität bestimmen. Beispielsweise bindet das Human Immunodeficiency Virus (HIV) an den CD4-Rezeptor auf T-Helferzellen.

• Mutationen der Rezeptoren: Mutationen in den Genen, die diese spezifischen Rezeptoren kodieren, können die Anfälligkeit des Organismus für eine Virusinfektion erheblich beeinflussen. Eine Mutation kann die Struktur des Rezeptors verändern, wodurch das Virus nicht mehr effizient binden kann, was zu einer Resistenz gegenüber der Infektion führen kann. Zum Beispiel führt die Delta-32-Mutation im CCR5-Gen zu einer Resistenz gegen HIV, da das Virus diesen mutierten Rezeptor nicht mehr als Eintrittsportal nutzen kann.

Einfluss von Mutationen auf die Anfälligkeit: Mutationen können vielfältige Auswirkungen haben:

• Erhöhte Resistenz: Wie bereits erwähnt, können bestimmte Mutationen die Bindungsfähigkeit des Virus beeinflussen und somit die Anfälligkeit einer Person für die Infektion reduzieren oder ganz aufheben.
• Erhöhte Anfälligkeit: Umgekehrt können Mutationen auch dazu führen, dass die Rezeptoren eine erhöhte Affinität für das Virus bekommen, was die Infektionsrate erhöht und die Ausbreitung im Organismus erleichtert.
• Verändertes Tropismus-Spektrum: Manchmal können Mutationen dazu führen, dass ein Virus neue Zelltypen oder Wirte infizieren kann, was potenziell neue Übertragungswege öffnet oder die Virusausbreitung erleichtert.

Zusammenfassend ist die Adsorption ein kritischer Schritt im Infektionsprozess, der durch spezifische Interaktionen zwischen viralen Liganden und zellulären Rezeptoren bestimmt wird. Mutationen in diesen Rezeptoren können die Anfälligkeit eines Organismus für eine Virusinfektion signifikant beeinflussen.

b)

Vergleiche die beiden Mechanismen der Viruspenetration: Fusion und Endozytose. Erkläre, wie jede Methode funktioniert, und diskutiere die Vor- und Nachteile beider Mechanismen aus Sicht des Virus.

Lösung:

Vergleich der Mechanismen der Viruspenetration: Fusion und EndozytoseViren nutzen verschiedene Mechanismen, um in Wirtszellen einzudringen. Zu den wichtigsten Mechanismen gehören die Fusion und die Endozytose.1. Fusion: Bei der Fusion verschmelzen die Virusmembran und die Zellmembran direkt miteinander. Dies ist typisch für behüllte Viren wie das Human Immunodeficiency Virus (HIV) oder das Influenza-Virus.

• Funktionsweise: Der Fusionsprozess beginnt mit der Bindung des Virus an spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche. Diese Bindung führt zu einer Konformationsänderung in den viralen Oberflächenproteinen, die es dem Virus ermöglicht, nahe an die Zellmembran heranzurücken. Anschließend verschmelzen die Virusmembran und die Zellmembran, was zur Freisetzung des viralen Kapsids und Genoms in das Zytoplasma der Wirtszelle führt.
• Vorteile:
  • Direkte Freisetzung des viralen Genoms in das Zytoplasma.
  • Vermeidung lysosomaler Abbauwege, die in der Zelle abbauend wirken.
• Nachteile:
  • Erfordert spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche, was die Virusspezifität einschränkt.
  • Kann durch antivirale Proteine an der Zellmembran oder entsprechende Immunantworten gehemmt werden.

2. Endozytose: Bei der Endozytose wird das Virus in die Zelle eingebracht, indem die Zellmembran es umschließt und ein Vesikel bildet. Dies ist typisch für sowohl behüllte als auch unbehüllte Viren.

• Funktionsweise: Das Virus bindet zunächst an spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche. Diese Bindung löst die Aufnahme des Virus durch Endozytose aus. Dabei wird die Zellmembran um das Virus herum eingestülpt und bildet ein Vesikel (Endosom), das das Virus in das Zellinnere transportiert. Innerhalb des Endosoms wird die virale Hülle aufgelöst (Uncoating), und das virale Genom wird freigesetzt.
• Vorteile:
  • Ermöglicht verschiedenen Viren den Eintritt, unabhängig davon, ob sie behüllt oder unbehüllt sind.
  • Kann unterschiedliche zelluläre Endozytoswege (z.B. Clathrin-vermittelte Endozytose, Caveolae-vermittelte Endozytose) nutzen, um in die Zelle zu gelangen.
• Nachteile:
  • Das Virus muss Mechanismen entwickeln, um dem Endosom zu entkommen, bevor es in die Lysosomen transportiert wird und abgebaut werden kann.
  • Enthält mehrere Schritte (Bindung, Endozytose, Freisetzung), was zusätzliche Virenproteinfunktionen erfordert und die Fehleranfälligkeit erhöht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl die Fusion als auch die Endozytose effektive Mechanismen der Viruspenetration sind, jedoch unterschiedliche Vor- und Nachteile aufweisen. Die Wahl des Mechanismus hängt oft von der Art des Virus sowie den Umweltbedingungen und Abwehrstrategien der Wirtszelle ab.

c)

Erkläre die Konzepte der primären und sekundären Viremie. Wie unterscheiden sie sich in Bezug auf die Verbreitungswege und die klinischen Auswirkungen auf den Organismus?

Lösung:

Erklärung der Konzepte der primären und sekundären Viremie

• Primäre Viremie: Die primäre Viremie tritt auf, wenn das Virus nach der initialen Infektion und Replikation an der Eintrittsstelle in das Blut freigesetzt wird. Dies ist der erste Kontakt des Virus mit dem Blutkreislauf, der es ermöglicht, sich zu anderen Geweben und Organen des Körpers zu verbreiten.
  • Verbreitungswege: Nach der initialen Replikation an der Eintrittsstelle (z.B. Haut, Schleimhäute) gelangen die Viren in die kapillaren Blutgefäße und verteilen sich im Blutkreislauf. Das Virus kann dann von phagozytischen Zellen (z.B. Makrophagen) aufgenommen und transportiert werden.
  • Klinische Auswirkungen: Die primäre Viremie ist häufig mit unspezifischen Symptomen wie Fieber, Unwohlsein und Müdigkeit verbunden. Diese Phase kann als Frühwarnzeichen der Infektion dienen, bevor spezifischere Symptome auftreten.
• Sekundäre Viremie: Die sekundäre Viremie tritt nach der primären Viremie auf, wenn das Virus sich in den Zielorganen und -geweben repliziert und erneut in den Blutkreislauf gelangt. Dies führt zu einer höheren Viruskonzentration im Blut und in den Körpergeweben.
  • Verbreitungswege: Nach der primären Viremie breitet sich das Virus zu bevorzugten Zielgeweben und Organen aus (z.B. Leber, Milz, Zentralnervensystem). Die erneute Virusvermehrung an diesen Orten führt zu einer zweiten Welle von Viren im Blutkreislauf, was die Verbreitung weiter verstärkt.
  • Klinische Auswirkungen: Die sekundäre Viremie ist in der Regel mit schwerwiegenderen klinischen Symptomen verbunden und kann spezifische Organschäden verursachen. Beispiele hierfür sind Hepatitis bei Leberbefall oder Enzephalitis bei Befall des Zentralnervensystems. Diese Phase ist häufig mit den auffälligeren und schwereren Symptomen der viralen Erkrankung verbunden.

Unterschiede in Bezug auf Verbreitungswege und klinische Auswirkungen:

• Verbreitungswege:Die primäre Viremie erlaubt es dem Virus, sich von der Eintrittsstelle zu den ersten Zielgeweben und Organen zu verbreiten. Die sekundäre Viremie hingegen führt die Verbreitung von bereits infizierten Zielorganen in den Blutkreislauf und weiter zu anderen Geweben, was zu einer weitreichenderen Infektion führt.
• Klinische Auswirkungen:Die primäre Viremie ist meist mit eher allgemeinen und weniger schwerwiegenden Symptomen wie Fieber und Unwohlsein verbunden. Die sekundäre Viremie führt oft zu spezifischeren und ernsteren Symptomen, da mehr Organe betroffen sind und die Viruslast im Körper höher ist.

Zusammenfassend sind die primäre und sekundäre Viremie wichtige Schritte im Verlauf einer Virusinfektion, die unterschiedliche Verbreitungswege und klinische Auswirkungen haben. Die primäre Viremie breitet das Virus initial aus, während die sekundäre Viremie zur weitreichenderen und schwereren Krankheitsmanifestation führt.

d)

Betrachte den neuronalen Transport von Viren. Erkläre den Unterschied zwischen retrogradem und anterogradem Transport. Wie könnten diese Mechanismen die Pathogenese und das klinische Bild von viralen Infektionen des Nervensystems beeinflussen?

Lösung:

Betrachtung des neuronalen Transports von VirenViele Viren nutzen den neuronalen Transport, um sich innerhalb des Nervensystems zu verbreiten. Dieser Transport erfolgt entweder retrograd oder anterograd.1. Retrograder Transport:Der retrograde Transport bezieht sich auf die Bewegung von Substanzen, einschließlich Viren, von den Nerventerminals (Axonenden) hin zum Zellkörper des Neurons.

• Funktionsweise: Viren, die an den Axonenden aufgenommen werden, binden an molekulare Motorproteine wie Dynein, die entlang der Mikrotubuli in Richtung des Zellkörpers (Soma) transportieren. Dies ermöglicht dem Virus, in das zentrale Nervensystem (ZNS) und zum Zellkern zu gelangen.
• Beispiele: Viren wie das Tollwutvirus und das Herpes-simplex-Virus (HSV) nutzen den retrograden Transport, um sich von peripheren Nervenendigungen zum zentralen Nervensystem zu bewegen.

2. Anterograder Transport:Der anterograde Transport bezieht sich auf die Bewegung von Substanzen, einschließlich Viren, vom Zellkörper des Neurons zu den Nerventerminals (Axonenden).

• Funktionsweise: Nach der Replikation im Zellkörper des Neurons werden Viren an molekulare Motorproteine wie Kinesin gebunden, die sie entlang der Mikrotubuli in Richtung der Axonenden transportieren. Dieser Transport ermöglicht es dem Virus, sich entlang des peripheren Nervensystems auszubreiten.
• Beispiele: Herpes-simplex-Viren (HSV) und Varizella-zoster-Viren (VZV) können anterograd transportiert werden, um neue Nervenzellen zu infizieren oder um reaktivierte Infektionen zu verursachen.

Einfluss auf die Pathogenese und das klinische Bild:Die Mechanismen des retrograden und anterograden Transports beeinflussen die Pathogenese und das klinische Bild von viralen Infektionen des Nervensystems auf unterschiedliche Weise:

• Retrograder Transport:
  • Ausbreitung zum ZNS: Durch den retrograden Transport können Viren über periphere Nervenendigungen in das zentrale Nervensystem gelangen. Dies kann schwere neurologische Erkrankungen wie Enzephalitis oder Meningitis verursachen.
  • Latenz und Reaktivierung: Viren können den retrograden Transport nutzen, um in Nervenzellen zu bleiben und eine latente Infektion zu etablieren. Beispiele sind HSV und VZV, die in sensorischen Ganglien verbleiben und später reaktiviert werden können.
  • Klinische Symptome: Erkrankungen, die durch retrograden Transport verursacht werden, können schwere neurologische Symptome wie Verwirrtheit, Krampfanfälle und Bewusstseinsverlust umfassen.
• Anterograder Transport:
  • Ausbreitung entlang peripherer Nerven: Viren können den anterograden Transport nutzen, um sich entlang peripherer Nerven zu neuen Zielgeweben auszubreiten. Dies geschieht beispielsweise, wenn HSV von den sensorischen Ganglien zu den Hautzellen transportiert wird, was zu wiederkehrenden Hautläsionen führt.
  • Reaktivierung: Bei der Reaktivierung einer latenten Infektion können Viren anterograd transportiert werden, um zurück zu den ursprünglichen Eintrittsorten zu gelangen und eine erneute Infektion oder Ausbruch von Symptomen zu verursachen.
  • Klinische Symptome: Erkrankungen, die durch anterograden Transport verursacht werden, können wiederkehrende Haut- oder Schleimhautinfektionen sowie Schmerzen entlang betroffener Nervennerven umfassen (z.B. Gürtelrose durch VZV).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der neuronale Transport von Viren, sowohl retrograd als auch anterograd, entscheidend für die Verbreitung innerhalb des Nervensystems ist. Diese Mechanismen beeinflussen die Pathogenese, den Verlauf und das klinische Bild von viralen Infektionen des Nervensystems und führen oft zu schwerwiegenden neurologischen Erkrankungen.

Aufgabe 3)

Virale Infektionen stellen eine Herausforderung für das Immunsystem dar, das zwei Hauptmechanismen zur Abwehr nutzt: die angeborene und die adaptive Immunantwort.

• Angeborene Immunantwort: Diese ist schnell und unspezifisch. Zu den Hauptakteuren zählen natürliche Killerzellen (NK), Makrophagen, dendritische Zellen und Interferone.
• Interferone: Diese Proteine induzieren antivirale Zustände in Zellen.
• Adaptive Immunantwort: Diese Antwort erfolgt langsamer, ist jedoch spezialisiert. Hauptakteure sind B-Lymphozyten und T-Lymphozyten.
• B-Lymphozyten: Diese produzieren Antikörper.
• T-Lymphozyten: Zytotoxische T-Zellen zerstören infizierte Zellen, während Helfer-T-Zellen die Immunantwort koordinieren.
• Gedächtniszellen: Diese ermöglichen eine schnellere Reaktion bei erneuter Infektion.

a)

a) Erkläre die Rolle von Interferonen in der antiviralen Abwehr. Beschreibe, wie Interferone die angeborene und adaptive Immunantwort unterstützen können. Gehe insbesondere darauf ein, wie Interferone eine Kaskade von Abwehrmechanismen auslösen und welche Zellen dabei eine entscheidende Rolle spielen.

Lösung:

Die Rolle von Interferonen in der antiviralen Abwehr

Interferone spielen eine zentrale Rolle in der Abwehr von viralen Infektionen. Sie sind Teil der angeborenen Immunantwort und tragen auch zur adaptiven Immunantwort bei. Ihre Hauptfunktionen lassen sich wie folgt beschreiben:

• Induktion eines antiviralen Zustandes: Interferone (IFNs) werden von infizierten Zellen produziert und ausgeschüttet, um benachbarte Zellen vor viralen Infektionen zu schützen. Sie binden an spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche, was zur Aktivierung von Signaltransduktionswegen und zur Expression von antiviralen Genen führt. Diese Gene kodieren Proteine, die die Virusreplikation hemmen und somit die Ausbreitung der Infektion verlangsamen.
• Aktivierung der natürlichen Killerzellen (NK-Zellen): Interferone erhöhen die zytotoxische Aktivität von NK-Zellen, die infizierte Zellen durch die Freisetzung von Perforin und Granzyme zerstören können. Dies ist ein schneller und unspezifischer Abwehrmechanismus der angeborenen Immunantwort.
• Förderung der Antigenpräsentation: Interferone stimulieren dendritische Zellen und Makrophagen, wodurch die Expression von MHC-Klasse-I- und MHC-Klasse-II-Molekülen auf deren Oberfläche erhöht wird. Dies verbessert die Präsentation von viralen Antigenen an T-Lymphozyten und fördert somit die adaptive Immunantwort.
• Aktivierung von T- und B-Lymphozyten: Interferone haben auch eine direkte Wirkung auf T-Zellen. Sie fördern die Differenzierung und Aktivierung von zytotoxischen T-Zellen (CD8+ T-Zellen), die spezifisch infizierte Zellen zerstören können, sowie von Helfer-T-Zellen (CD4+ T-Zellen), die die Immunantwort koordinieren. Zudem beeinflussen Interferone B-Lymphozyten, indem sie die Produktion von Antikörpern anregen.

Zusammenfassend lösen Interferone eine Kaskade von Abwehrmechanismen aus, die sowohl die angeborene als auch die adaptive Immunantwort stärken. Sie wirken nicht nur direkt antiviral, sondern rekrutieren und aktivieren auch verschiedene Immunzellen, um eine effektive und koordinierte Immunantwort gegen virale Infektionen zu gewährleisten.

b)

b) Vergleiche die Funktionen von B-Lymphozyten und T-Lymphozyten im Kontext der adaptiven Immunantwort. Erläutere, wie Antikörperproduktion und zytotoxische Aktivität zur Eliminierung von Viren beitragen. Verwende spezifische Beispiele, um die unterschiedlich spezialisierten Aufgaben dieser zwei Zelltypen zu illustrieren.

Lösung:

Vergleich der Funktionen von B-Lymphozyten und T-Lymphozyten in der adaptiven Immunantwort

B-Lymphozyten und T-Lymphozyten sind zentrale Akteure der adaptiven Immunantwort, jedoch haben sie unterschiedliche, aber komplementäre Rollen in der Bekämpfung von viralen Infektionen.

• B-Lymphozyten:
  • Hauptfunktion: Produktion von Antikörpern
  • B-Lymphozyten erkennen spezifische Antigene auf der Oberfläche von Pathogenen wie Viren. Nach der Erkennung durch ihren Rezeptor auf der Zelloberfläche (B-Zell-Rezeptor), differenzieren sie sich zu Plasmazellen, die große Mengen an Antikörpern produzieren.
  • Antikörper (auch Immunglobuline genannt) binden an die Viren und neutralisieren sie direkt. Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen, z. B. durch Blockieren von Virusbindungsstellen, wodurch das Eindringen in Wirtszellen verhindert wird.
  • Antikörper markieren Viren zudem für die Zerstörung durch andere Immunzellen. Dies geschieht über Mechanismen wie Opsonisierung, bei der die Viruspartikel für Phagozyten (z. B. Makrophagen) markiert werden, und die Aktivierung des Komplementsystems, das zur Lyse der Viren führt.
• T-Lymphozyten:
  • Hauptfunktion: Zytotoxische Aktivität und Koordination der Immunantwort
  • Zytotoxische T-Zellen (CD8+ T-Zellen): Diese Zellen erkennen viral infizierte Zellen anhand von viralen Antigenen, die auf MHC-Klasse-I-Molekülen präsentiert werden. Sobald sie eine infizierte Zelle erkennen, setzen sie zytotoxische Moleküle wie Perforin und Granzyme frei. Perforin bildet Poren in der Membran der infizierten Zellen, während Granzyme in die Zelle eindringen und Apoptose auslösen.
  • Helfer-T-Zellen (CD4+ T-Zellen): Sie erkennen Antigene, die von antigenpräsentierenden Zellen (z. B. Makrophagen, dendritische Zellen) auf MHC-Klasse-II-Molekülen präsentiert werden. Helfer-T-Zellen koordinieren die Immunantwort, indem sie Zytokine freisetzen, die andere Immunzellen aktivieren und deren Funktion unterstützen. Sie helfen auch bei der Aktivierung von B-Lymphozyten und der Differenzierung von zytotoxischen T-Zellen.

Beispiel: Bei einer Influenza-Virusinfektion produzieren B-Lymphozyten spezifische Antikörper gegen das Virus, die es neutralisieren und dessen Eintritt in menschliche Zellen verhindern. Gleichzeitig erkennen zytotoxische T-Zellen bereits infizierte Zellen, zerstören sie und verhindern so die Weiterverbreitung des Virus im Körper. Helfer-T-Zellen unterstützen beide Zelltypen, indem sie die humorale und zelluläre Immunantwort koordinieren.

Zusammengefasst tragen B-Lymphozyten und T-Lymphozyten durch ihre spezialisierten Funktionen zur effektiven Eliminierung von Viren bei. B-Lymphozyten neutralisieren Viren und unterstützen deren Entfernung durch andere Immunzellen, während zytotoxische T-Lymphozyten infizierte Zellen gezielt zerstören und so die Ausbreitung der Infektion verhindern.

Aufgabe 4)

PCR und andere molekulare Nachweisverfahren

PCR und andere molekulare Nachweisverfahren sind essentielle Techniken in der Virologie zur Vervielfältigung und Identifikation von Nukleinsäuresequenzen:

• PCR (Polymerase-Kettenreaktion): Amplifikation spezifischer DNA-Sequenzen
• Real-Time PCR (qPCR): Quantifizierung von DNA in Echtzeit mit Fluoreszenzmarkern
• RT-PCR: Reverse Transkription kombiniert mit PCR zur Analyse von RNA
• Sequenzierung: Bestimmung der Nukleotidabfolge in DNA- oder RNA-Proben
• ELISA: Nachweis von Proteinen/Antikörpern mittels Enzym-gekoppelter Immunreaktionen
• Western Blotting: Nachweis spezifischer Proteine in einer Probe durch Elektrophorese und Antikörper
• FISH (Fluoreszenz in situ Hybridisierung): Lokalisierung bestimmter DNA/RNA-Sequenzen in Geweben oder Zellen

a)

Teil A: Beschreibe Schritt für Schritt den Ablauf einer PCR inklusive der thermischen Zyklen. Gehe dabei insbesondere auf die Bedeutung der Temperaturen und die benötigten Reagenzien ein.

Lösung:

Teil A: Schritt-für-Schritt-Ablauf einer PCR

Polymerase-Kettenreaktion (PCR)

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist eine Methode zur Vervielfältigung spezifischer DNA-Sequenzen. Hier ist der detaillierte Ablauf inklusive der thermischen Zyklen:

1. Reagenzien und Materialien

• Template-DNA: Die DNA, die amplifiziert werden soll.
• Primer: Kurze DNA-Sequenzen, die spezifisch an die Zielsequenzen binden.
• DNA-Polymerase: Ein Enzym, das neue DNA-Stränge synthetisiert (z.B. Taq-Polymerase).
• dNTPs (Desoxynukleosidtriphosphate): Bausteine für die neue DNA-Synthese (dATP, dCTP, dGTP, dTTP).
• Pufferlösung: Stellt das optimale chemische Milieu für die DNA-Polymerase zur Verfügung.
• Magnesiumionen (Mg^2+): Kofaktor für die DNA-Polymerase.

2. Thermische Zyklen

Die PCR besteht aus einer Folge von wiederholten Temperaturzyklen, die aus drei Hauptphasen bestehen:

• Denaturierung (ca. 94-98°C): In dieser Phase wird die Doppelstrang-DNA durch Erhitzen in Einzelstränge gespalten. Diese Phase dauert in der Regel 20-30 Sekunden.
• Annealing (ca. 50-65°C): In dieser Phase hybridisieren die Primer an die komplementären Sequenzen der Einzelstrang-DNA. Die genaue Temperatur hängt von der Schmelztemperatur (Tm) der Primer ab. Diese Phase dauert in der Regel 20-40 Sekunden.
• Elongation (ca. 72°C): In dieser Phase synthetisiert die DNA-Polymerase neue DNA-Stränge, indem sie die dNTPs komplementär zur Template-DNA anlagert. Die Dauer dieser Phase hängt von der Länge der Zielsequenz ab (etwa 1 Minute pro 1.000 Basenpaare).

3. Beispielhafter PCR-Zyklus

1. Initiale Denaturierung: 94-98°C für 2-5 Minuten, um die gesamte Template-DNA zu denaturieren.
2. Amplifikation: 25-35 Zyklen von:
   • Denaturierung: 94-98°C für 20-30 Sekunden
   • Annealing: 50-65°C für 20-40 Sekunden
   • Elongation: 72°C für 1 Minute pro 1.000 Basenpaare
3. Finale Elongation: 72°C für 5-10 Minuten, um sicherzustellen, dass alle DNA-Stränge vollständig synthetisiert sind.
4. Finale Lagerung: 4°C bei Bedarf, um die DNA-Proben bis zur weiteren Verarbeitung aufzubewahren.

Durch mehrere dieser Zyklen wird die spezifische DNA-Sequenz exponentiell vervielfältigt, was zur Herstellung großer Mengen der benötigten DNA führt.

b)

Teil B: Ein Wissenschaftler möchte die Expression eines bestimmten Gens in verschiedenen Zelltypen quantifizieren. Welches Nachweisverfahren würdest Du empfehlen und warum? Beschreibe ausführlich den experimentellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens und diskutiere mögliche Fehlerquellen und deren Auswirkungen auf die Ergebnisse.

Lösung:

Teil B: Empfehlung und Beschreibung eines geeigneten Nachweisverfahrens

Empfohlenes Nachweisverfahren: Real-Time PCR (qPCR)

Um die Expression eines bestimmten Gens in verschiedenen Zelltypen quantitativ zu analysieren, ist die Real-Time PCR (qPCR) das am besten geeignete Nachweisverfahren. qPCR ermöglicht die genaue Quantifizierung der DNA in Echtzeit und bietet höchste Sensitivität und Spezifität.

Experimenteller Ablauf der qPCR

• RNA-Isolation:
  • Extraktion der Gesamtrna aus den Zellproben mittels Trizol oder anderer kommerzieller RNA-Isolationskits.
• Reverse Transkription (RT):
  • Umwandlung der isolierten mRNA in komplementäre DNA (cDNA) mit Hilfe der Reverse Transkriptase.
• Vorbereitung des qPCR-Reaktionsansatzes:
  • Mischen der cDNA mit spezifischen Primern, einer DNA-Polymerase, dNTPs, Puffer und einem fluoreszierenden Farbstoff (z.B. SYBR Green oder TaqMan Sonde).
• Thermocycling: Durchführung der PCR in einem Real-Time PCR-Thermocycler mit den folgenden Zyklen:
  • Initiale Denaturierung: 95°C für 2 Minuten
  • Amplifikation (40 Zyklen):
    • Denaturierung: 95°C für 15 Sekunden
    • Annealing und Elongation: 60°C für 30-60 Sekunden
• Datenanalyse:
  • Extraktion der Cq-Werte (Quantification Cycle).
  • Relative Quantifizierung der Genexpression mittels Delta-Delta-Ct-Methode (ΔΔCt-Methode) im Vergleich zu einem Referenzgen.

Mögliche Fehlerquellen und deren Auswirkungen

• RNA-Qualität und -Quantität:
  • Niedrige Qualität oder zu geringe Menge der RNA kann zu ineffizienter cDNA-Synthese und falschen Ergebnissen führen.
• Primer-Design:
  • Unspezifische Primer können zu nicht spezifischen Amplifikationen und Hintergrundgeräuschen führen.
• Effizienz der Reverse Transkription:
  • Unvollständige Umwandlung von RNA in cDNA kann die Genauigkeit der qPCR-Analyse beeinträchtigen.
• Thermocycler-Einstellungen:
  • Falsche Temperatureinstellungen können die Spezifität und Effizienz der PCR beeinträchtigen.
• Datenanalyse:
  • Ungenaue Normalisierung gegenüber einem Referenzgen kann zu falschen quantitativen Ergebnissen führen.

Zusammenfassung

Die Real-Time PCR (qPCR) ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Quantifizierung der Genexpression, insbesondere aufgrund ihrer hohen Sensitivität und Spezifität. Durch sorgfältige Beachtung der genannten möglichen Fehlerquellen und deren Minimierung können verlässliche und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden.