Viren: minimalster Einsatz – maximale Effizienz

Durch Erkrankungen wie AIDS, Grippe, SARS oder das neuartige Corona-Virus (2019-nCoV, auch SARS-CoV-2 genannt), rücken Viren immer wieder in das Interesse der Öffentlichkeit.
Was sind Viren? Wie kann sich der Organismus gegen Viren zur Wehr setzen? Wie kann der Mensch Viruserkrankungen vorbeugen?
Diese und viele weitere Informationen zu Viren erfahren Sie hier.

zu Gunsten der Verständlichkeit vereinfacht / Erstveröffentlichung 16.02.2020

Was Viren nicht sind

1. Viren sind keine Lebewesen

Eine exakte Definition von „Leben“ gibt es nicht, es sind lediglich „Mindestanforderungen“ definiert. So muss ein Lebewesen mindestens eine abgegrenzte Zelle mit einem Stoffwechsel besitzen. Viren besitzen keine Enzyme und somit auch keinen gesteuerten Stoffwechsel. Viren können sich daher auch nicht selbstständig fortpflanzen.

Dennoch werden Viren häufig zusammen mit Mikroorganismen (Bakterien, Einzeller) genannt, weil sie viele Eigenschaften mit diesen gemeinsam haben (z. B. Bedeutung als Krankheitserreger). Manchmal werden sie daher in einen „Graubereich des Lebens“ eingestuft.

2. Viren sind nicht immer „die Bösen“

Organismen können auch von Viren profitieren. Dazu weiter unten mehr.

Was Viren sind

Aufbau

Viren außerhalb von Wirtszellen werden wissenschaftlich als Viruspartikel oder Virion bezeichnet. Im Folgenden wird durchgängig der umgangssprachliche Begriff „Virus“ verwendet.

Viren sind sehr einfach gebaute infektiöse kleine Partikel. Im einfachsten Fall bestehen Viren aus einem sogenannten Kapsid, welches die Erbsubstanz des Virus umhüllt. Die Erbsubstanz kann als DNS oder RNS vorliegen und aus einem oder zwei Strängen bestehen.

Erklärung: Bei Lebewesen ist DNS im Zellkern als Erbsubstanz enthalten, während die RNS quasi die Arbeitskopie in der Zelle darstellt.

Manche Viren besitzen eine zusätzliche Hülle (Envelope) aus Lipoproteinen, die teilweise aus der Zellwand der Wirtszelle aufgebaut sein kann. Die Hülle kann sogenannte Spikes (Glykoproteine) enthalten, die aus der Hülle ragen.

Die zusätzliche Hülle bieten den Viren einige Vorteile:

  • Die Proteine in der Hülle können verändert werden und so an verschiedene Wirtszellen angepasst werden.
  • Werden Proteine in der Hülle verändert, kann das Immunsystem (siehe unten) den Virus eventuell nicht mehr als bekannten Erreger erkennen und somit nicht unverzüglich reagieren.
  • Die Hülle stellt einen zusätzlichen Schutz gegen Umwelteinflüsse dar, ist andererseits aber sehr empfindlich gegenüber fettlösenden Substanzen.

Viele der „neuen“ Viren, wie HIV, Influenza-Viren (Grippe-Erreger) oder Corona-Viren sind Viren mit Hülle.

Bakteriophagen (kurz Phagen) können etwas aufwendiger aufgebaut sein.

Verschiedene Virentypen: ohne und mit Hülle und mit Spikes
Verschiedene Virentypen

Virusvermehrung

Viren können sich nicht selbst vermehren: Sie haben keinen Stoffwechsel, der ihnen die Rohstoffe zur Verfügung stellt. Sie sind daher obligate Parasiten. Um sich zu vermehren, müssen sie ihr Erbgut in eine lebende Zelle einschleusen. Damit ein Virus an eine passende Zelle anbinden und eindringen kann, müssen Rezeptoren auf seiner Oberfläche zu Rezeptoren an der Oberfläche der Wirtszelle passen.

Die Wirtszelle beginnt nach der Infektion mit der Produktion von Viren. Bei Viren ohne zusätzliche Hülle platzt die Wirtszelle und setzt die Viren frei, bei Viren mit Envelope können die Viren ohne Zerstörung der Wirtszelle freigesetzt werden.

Beim Influenza-A-Virus passen die Rezeptoren der Viren z. B. auf die Rezeptoren von Zellen im Atemtrakt von Menschen, Enten und Schweinen.

Influenza-Virus auf einer Atemwegszelle
Influenza-Virus auf einer Atemwegszelle (Bildquelle: CDC/NCIRD [3])

Einteilung der Viren

Für die Einordnung der Viren in ein einheitliches System (Klassifizierung) sind unter anderem folgende Viren-Eigenschaften wichtig:

  • Erbgut als DNS oder RNS enthalten, Anzahl und Form der Erbgutstränge
  • Form des Kapsids (Hülle des Erbgutes)
  • mit oder ohne zusätzlich Hülle (Envelope)
  • Größe des Virus.

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Viren als Krankheitserreger

Viren können zahlreiche Krankheiten verursachen.

Viele Viren sind wirtsspezifisch, können also nur bestimmte Organismen befallen. Die bereits erwähnten Phagen befallen nur Bakterien und sind sehr viel häufiger als Viren, die höhere Lebewesen befallen. Aber auch diese Viren sind häufig wirtsspezifisch und können nur bestimmte Tier- oder Pflanzenarten infizieren. Teilweise sind sie zudem auf bestimmte Zelltypen innerhalb des Wirts spezialisiert.

Beispiel: Das Pockenvirus war ausschließlich auf den Menschen spezialisiert. Durch weltweite Impfkampanien ist das Pockenvirus inzwischen ausgerottet.

Manche Viren können verschiedene Tierarten infizieren, z. B. Tiere und Menschen. Kann die Infektion nicht von Mensch zu Mensch weitergegeben werden, spricht man von einer Zoonose. Kann die Erkrankung anschließend zwischen Menschen weitergegeben werden, handelt es sich um eine zoonotische Erkrankung.

Beispiele von Viruserkrankungen

Tabelle: einige Virus-Krankheiten und Virentypen
Tabelle: einige Krankheiten und Virentypen (zum Vergrößern anklicken)

Corona-Viren

Corona-Viren gelingt immer wieder der Sprung von einer Tierart zum Menschen.

Beispiele:

  • Bei SARS (Schweres Akutes Respiratorisches Syndrom) fand 2003 der Sprung von der Zibet-Katze zum Menschen statt. Eine Übertragung von Mensch zu Mensch ist möglich.
  • Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus (MERS-CoV) wurde zuerst 2012 auf der arabischen Halbinsel nachgewiesen. MERS-CoV hat den Sprung vom Dromedar auf den Menschen geschafft. Es gibt jedoch keine Hinweise auf eine anhaltende, unkontrollierte Mensch-zu-Mensch-Übertragung. Bis jetzt wurden ca. 2.500 MERS-CoV-Erkrankungen und rd. 860 Todesfälle registriert.
  • Das aktuelle Corona-Virus (Neuartiges Coronavirus: 2019-nCoV, SARS-CoV-2) ist vermutlich vergleichbar mit SARS und ebenfalls von Mensch zu Mensch übertragbar.
    In Europa sind derzeit (Stand: 16.02.2020) 44 Fälle registriert, davon 16 Fälle in Deutschland. 14 der Erkrankten haben sich innerhalb Deutschlands angesteckt. In Frankreich (11 Fälle) haben sich 6 innerhalb des Landes angesteckt. In den anderen europäischen Ländern sind die meisten Erkrankungen importierte Fälle.

Influenza-Viren

 Influenza-Viren sind die Erreger der Grippe. Man unterscheidet 3 Typen: A, B und C, wobei der Typ C für den Menschen weniger von Bedeutung ist.

Für eine Infektion sind vor allem zwei Glykoproteine in ihrer Hülle verantwortlich: Hämagglutinin (H) und Neuraminidase (N). Von Hämagglutinin gibt es 18 Varianten, von Neuraminidase 11 Varianten. Diese Glykoproteine bilden die Spikes in der äußeren Hülle, die jeweils aus 3 H- und 4 N-Molekülen bestehen. Die Spikes sind für das Andocken und Eindringen des Virus in die Körperzelle wichtig.

Die H-N-Kombinationen – und somit die Spikes – können sich verändern. Die resultierenden verschiedenen Subtypen der Viren werden nach den H-N-Kombinationen benannt. Für die jährlichen Grippewellen sind vor allem Influenza-Viren des Typs A mit den H-N-Kombinationen H1N1 und H3N2 verantwortlich (Subtypen A(H1N1) und A(H3N2)). Durch die veränderten Spikes stellen die Viren für die Körperabwehr einen neuen Erreger dar, sodass eine erneute Erkrankung möglich wird (siehe unten).

SARS-Virus
SARS-Virus (Quelle: Hans R. Gelderblom, Freya Kaulbars/RKI [4])
Influenzavirus
Influenza-Virus (schematisch) (Quelle: CDC/NCIRD [3])

Virusbekämpfung

Körperabwehr

Wird ein Körper von Viren befallen, kann er sich mehr oder weniger erfolgreich mit Antikörpern gegen die Viren zur Wehr setzen. Die Antikörper sind auf bestimmte Proteine (Antigene) im Kapsid oder der Hülle der Viren angepasst. Da die Hülle vorwiegend aus Lipiden besteht, stehen den Antikörpern bei Viren mit Hülle weniger spezifische Anbindungsstellen zur Verfügung, als bei Viren ohne Hülle. Bis der Körper ausreichend passende Antikörper gebildet hat, kann sich die Virusinfektion im Körper ausbreiten.

Nach einer Virusinfektion werden die Informationen zur Virenabwehr gespeichert (Gedächtniszellen). Bei einer erneuten Infektion können die Viren sofort abgefangen werden, sodass eine Virusvermehrung und Erkrankung verhindert wird (Immunität).

Antikörper und Antigen müssen exakt aufeinander passen (Schloss-Schlüssel-Prinzip). Haben sich die Antigene der Viren zwischen einer ersten und zweiten Infektion verändert, können die vorhandenen Antikörper nicht mehr „zugreifen“. Der Körper muss dann – wie bei einer Erstinfektion – zunächst die passenden Antikörper bilden.

Antikörper und Antigene (schematische Darstellung)
Antikörper und Antigene (schematisch)

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Die Finte der Viren

Veränderungen bei den Antigenen der Viren können durch folgende Mechanismen auftreten:

Antigen-Drift durch Punktmutationen: hierbei treten winzige Veränderungen des Erbgutes der Viren auf. Sie werden z. B. hervorgerufen durch Ablesefehler in der Wirtszelle oder durch Umwelteinflüsse, wie Chemikalien oder Strahlung. Die Mutationen und somit die Auswirkungen auf das Virus sind immer zufällig. Im günstigen Fall für das Virus verändern sich die Antigene.

Antigen-Shift: hierbei werden bei Viren, die sich im gleichen Organismus befinden, Erbinformationen ausgetauscht. Dies findet besonders bei Viren mit Envelope statt.

Impfungen: dem Körper auf die Sprünge helfen

Bei Impfungen kann man zwei Methoden anwenden:

Passive Impfung: dem Körper werden fertige Antikörper, die in anderen Organismen produziert wurden, zugeführt. Der Körper bildet keine eigenen Antikörper, die Dauer des Impfschutzes ist daher begrenzt.

Aktive Impfung: dem Körper werden abgeschwächte Viren oder relevante Antigene der Viren zugeführt. Der Körper bildet wie oben beschrieben Antikörper. Bei einer Infektion mit dem entsprechenden Virus kann der Körper auf seine Gedächtniszellen zurückgreifen und so eine Erkrankung verhindern oder abschwächen.

Beim Influenza-A-Virus sind die relevanten Antigene in der Hülle die beiden Glykoproteine Hämagglutinin und Neuroaminidase. Das Virus wird je nach Kombination dieser Antigene benannt, etwa H3N1. Durch Austausch der Erbsubstanz kann ein neuer Subtyp entstehen, etwa H2N1. Bei den Subtypen sind neben den veränderten Antigenen auch andere Eigenschaften verändert, wie etwa Krankheitsverlauf, Symptome, Übertragungswege oder Wirtstyp.

Für die saisonale Grippe sind vorwiegend die Subtypen A(H1N1) und A(H3N2) sowie Influenza B Viren (2 relevante Subtypen) verantwortlich. Diese Viren können jeweils in unterschiedlichen Varianten der Subtypen vorliegen.

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) gibt nach eingehenden Analysen jedes Jahr Empfehlungen für die zu verwendenden Impfstoffe (jeweils für die Nord- und Südhalbkugel) heraus. Aufgrund dieser Empfehlungen werden passende Impfstoff produziert. Sind die auftretenden Varianten der saisonalen Grippen andere, als in den Empfehlungen prognostiziert, ist der Impfschutz mehr oder weniger wirkungslos.

Wirkungslose Antibiotika

Da Viren keinen Stoffwechsel besitzen, können sie nicht mit Antibiotika bekämpft werden.

Eine Behandlung ist jedoch mit Virustatika möglich. Wegen der möglichen starken Nebenwirkungen und der Gefahr von Resistenzbildungen werden Virustatika jedoch nur in Notfällen eingesetzt. Hierzu zählt zum Beispiel die HIV-Therapie: Bei AIDS wird das Immunsystem des Erkrankten geschwächt, sodass eine eigene Immunreaktion auf die Viren nicht möglich ist. Durch Virustatika wird lediglich die Virusvermehrung durch Eingriff in verschiedene Stadien der Vermehrung verhindert, das Virus selbst wird nicht abgetötet.

Leben mit Viren

„Ein Virus ist eine schlechte Nachricht, verpackt in eine Proteinhülle“ (Sir Peter Medawar [1])

Ganz so negativ muss man es nicht sehen. Viren können in Organismen harmlos sein oder sogar von Vorteil.

Domestizierte Viren: Viren im Erbgut

In nahezu jedem Genom (also der Summe der genetischen Informationen eines Lebewesens) befindet sich Virus-DNS.

„Mindestens 43 Prozent des bekannten Humangenoms wären demnach Viren oder unmittelbar von ihnen abgeleitete Einheiten“, so der Buchautor Frank Ryan [2].

Teilweise ist die Viren-DNS so verstümmelt, dass sie außerhalb der Wirts-DNS nicht existenzfähig ist. Manche Viren-DNS liegt aber auch nahezu unverändert vor, z. B. weil der Einbau der Viren-DNS (in biologischen Zeiträumen) erst vor kurzem erfolgte oder weil die Virus-DNS für den Organismus von Nutzen ist.

Brackwespen legen Eier in lebende Raupen ab. Die schlüpfenden Wespen fressen die Raupen von innen her auf. In ihrem Genom enthält die Wespe Bracoviren, die sie mit dem Gelege in die Raupe abgibt. Die Bracoviren unterdrücken das Immunsystem der befallenen Raupen, sodass diese die Eier und geschlüpften Wespen nicht bekämpfen können.

Manche Blattläuse sind immun gegen Wespenbefall: Werden in ihrem Körper Wespeneier abgelegt, können keine Wespen schlüpfen und sich entwickeln. Diese Blattläuse enthalten ein Bakterium (Hamiltonella defensa), dessen Genom zu ca. 50 % aus Viren-DNS besteht. Durch diese integrierten Phagen werden die parasitierenden Wespen getötet, wobei der genaue Mechanismus noch unbekannt ist.

Viren im Kampf gegen Bakterien

Man vermutet, dass sich höhere Organismen Phagen gezielt zunutze machen können, um „unliebsame“ Bakterien loszuwerden und somit gewünschte Bakterien zu fördern. Der Körper könnte also gezielt die Zusammensetzung seines Mikrobioms (Summe der Mikroorganismen im Körper) steuern. Es gibt Hinweise, dass die gezielte Weitergabe entsprechender Viren über die Muttermilch erfolgt. In diesem Fall könnte man von symbiontischen Viren sprechen.

Mit Phagen können aber auch gezielt Bakterienerkrankungen bekämpft werden. Der Vorteil gegenüber Antibiotika ist, dass Phagen jeweils auf ein Bakterium spezialisiert sind, also eine sehr gezielte Behandlung erfolgen kann. Zudem bildet die Phagen-Therapie eine gute Alternative bei zunehmender Resistenz der Bakterien gegen Antibiotika.

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Trojanische Pferde: Viren im Einsatz gegen Krebs

Bestimmte Virentypen können genetisch so verändert werden, dass ihre krankheitserregenden Eigenschaften entfallen, aber für einen Tumor schädliche Eigenschaften integriert sind. Gelangt dieser veränderte Virus in eine Krebszelle, kann er diese zerstören. Ein bereits zugelassenes Viruspräparat ist Imlygic.

Der Ursprung der Viren

Zwischen Viren und Organismen bestehen zahlreiche Wechselwirkungen – es hat also eine gegenseitige evolutionäre Anpassung stattgefunden. Viren und Organismen müssen also schon lange nebeneinander existieren.

Zum Ursprung der Viren gibt es verschiedene Hypothesen:

  • Viren als Vorläufer des Lebens,
  • Viren als Bakterien-Reste, z. B. stark reduzierte parasitische Bakterien,
  • Viren als Absplitterungen von Zellen, also frei gewordenes Erbmaterial.

Mehr Informationen

Zitat- und Bildquellen

[1] Zitat aus Sadava D., Hillis M., Heller H.C., Berenbaum M.R.: Purves Biologie. 9. Aufl. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag; 2011
[2] Zitat aus: Mehr Virus als Mensch? Endogene Retroviren als prägende Elemente im Genom.
[3] Centers for Disease Control and Prevention, National Center for Immunization and Respiratory Diseases (NCIRD)
[4] Hans R. Gelderblom, Freya Kaulbars/RKI

Bücher

– Laura Spinney: 1918 Die Welt im Fieber – Wie die Spanische Grippe die Gesellschaft veränderte
– Frank Ryan: Virolution
– Karin Mölling: Supermacht des Lebens: Reisen in die erstaunliche Welt der Viren
– Ed Yong: Winzige Gefährden (Der Schwerpunkt liegt jedoch auf Bakterien)

Links

Der Feind in uns – Dossier

Informationen zum neuartigen Coronavirus

RKI: 2019-nCoV Acute Respiratory Disease (neuartiges Coronavirus)
ECDC: Novel coronavirus mit Risikoeinschätzung und Karten
WHO: Novel coronavirus (2019-nCoV) mit täglicher Aktualisierung und Karte

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