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  • Virusgenome und viraleReplikationsstrategien

    Hans-Georg Krusslich, Abteilung Virologiewww.virology-heidelberg.de

    24. April 2007

    Grundzge der viralen Replikation

    Genomaufbau und Replikationsstrategien

  • Definierende Eigenschaften von Viren

    Viren sind obligate intrazellulre Parasiten

    Virusgenome knnen aus DNA oder RNA bestehen

    Das Virusgenom wird in der Wirtszelle repliziertEs steuert die Synthese der brigen Virusbestandteile

    Virusnachkommen werden aus neu gebildeten Komponentenzusammengesetzt (Assembly)

    Ein neu gebildetes Virion ist ein Vehikel, mit dem das virale Genomzur nchsten Wirtszelle oder Wirtsorganismus transportiert wirdDort beginnt es den nchsten Replikationszyklus

  • Hlle(Lipid+Proteine) Kapsid (Proteinhlle)

    Genom (DNA oder RNA)

    Virus = zellfreie, geschtzte Nukleinsure (RNA oder DNA)

    Woraus besteht ein Virus?

    Replikationsproteine, Akzessorische Proteine

  • Latenz

    Vermehrung von Bakterien und Viren in Kultur

    LogarithmischePhase

    extrazellulr

    Eklip

    se

    Lag-

    Phas

    e

    1 2 3 4

    Stunden

    Zellz

    ahl

    101

    102

    103

    104

    PFU

    /ml

    12

    102

    104

    106

    108

    24 36 48

    Stunden

    intrazellulr

    Anpassung an die Kulturbedingungen (Lag-Phase)

    logarithmische Vermehrung durch Zweiteilung

    Verlangsamung der Teilung nach Aufbrauchen der Nhrstoffe (Sttigung)

    Infektse Partikel dringen in die Zelle ein und zerfallen (Eklipse)

    Bildung und Freisetzung von vielen Virusnachkommen pro Zelle

    Ende der Wachstumsphase durch Tod der Wirtszellen

    Bsp: Adenovirus

  • Viral replication basic principles

    Host cell

    genomereplication

    Protein synthesis

    Virus release

    virus-assemblyand maturation

    virus entry

    Uncoating

    Fr Proteinsynthese wird ausschlielich die zellulre Maschinerie genutzt

  • Cytopathogener (Zellschdigender) Effekt von Viren

    Infektion von epithelialen HeLa-Zellen mit Poliovirus (Picornavirus)

    Aufnahmen zu verschiedenen Zeitpunkten nach Infektion (in Stunden)

    fortschreitende Lyse der Zellen

    0 5,5

    8 24Bildung von Riesenzellen (= Syncytien)nach retroviraler Infektion

  • Tropismus

    WirtsspezifittGewebespezifitt

    Beeinflusst durch:

    Virusspezifischer Rezeptor auf Zelloberflche Zelltyp-spezifische Promoter-/Enhancer-Elemente zellulre Faktoren ,die fr Eintritt, Genexpression,

    Assembly, Transport bentigt werden Eintrittspforte, Art der Inokulation

    Hepatitis B Virus infiziert nur die Leber des Menschen und Schimpansen, HIV nur die CD4-positiven Zellen des

    Menschen und Schimpansen

  • Persistenz, Latenz, Reaktivierungakute chronische Infektion

    Viru

    smen

    ge

    Zeit

    Viru

    smen

    ge

    Zeit

    A. Akute Infektion ClearanceV

    irusm

    enge

    Zeit

    Viru

    smen

    ge

    Zeit

    D. Langsame chronische InfektionC. Akute Infektion chronische Infektion

    B. Akute Infektion LatenzReaktivierung

  • Virusgenome kodieren Genprodukte und Informationen fr

    Partikelbildung und Verpackung des GenomsReplikation des VirusgenomsRegulation des ReplikationszyklusAusschalten zellulrer AbwehrmechanismenVerbreitung auf andere Zellen und Wirtsorganismen

    Virusgenome kodieren nicht

    Proteinsynthese-Maschinerie (rRNA, Translationsfaktoren etc)Enzyme des EnergiestoffwechselsFaktoren der MembranbiosyntheseTelomere, Zentromere

  • Im Gegensatz zum Genom der Zelle weisen Virusgenome eine groe Variabilitt auf

    DNA oder RNADNA mit kurzen RNA SegmentenDNA oder RNA mit kovalent verknpftem ProteinEinzelstrang: minus, plus, ambisenseDoppelstrangLinearZirkulrSegmentiertDoppelstrang mit Unterbrechungen (gapped)

    Die Art des Genoms bestimmt den Replikationsweg

  • Virusgenome knnen aus RNA bestehen

    Relikte aus der RNA-Welt?

    Anforderungen: 1. Kopieren des RNA-Genoms ohne Sequenzverlust2. Herstellung von translations-kompetenten mRNAsaus genomischer RNA

    Viruseigene RNA-abhngige RNA-Polymerase oder Reverse Transkriptase

    RNA-Elemente kontrollieren Replikation und Transkription in cis

    De novo Synthese von RNA oder Mechanismen fr Priming, Mechanismen fr Capping + Polyadenylierung

  • Klassifikation der Viren: Genom

    GenomRNA-Viren

    Plus-Strang (= mRNA)

    Minus-Strang

    Doppelstrang

    DNA-Viren

    Einzelstrang

    Doppelstrang

    Mit oder ohne Hlle (Envelope)umhllt oder nackt

    Segmentiertes oder nicht segmentiertes Genom

  • Klassifikation animaler VirenUmhllt Nackt

    Pockenviren(Vaccinia, Variola, Molluscum contagiosum)

    Herpesviren(HSV, VZV, EBV, CMV, HHV-6, -7, -8)

    Hepadna-Viren(HBV)Retroviren(HIV, HTLV)

    Orthomyxoviren(Influenza)

    Paramyxoviren(Masern, Mumps,RSV, Parainfluenza)

    Bunyaviren (Hanta)

    Togaviren (Rteln)

    Flaviviren(Gelbfieber, FSME, HCV, West-Nil-Virus, Dengue-V.)Arenaviren(Lassa)

    Rhabdoviren(Tollwut)

    Filoviren(Ebola, Marburg)

    Coronaviren (SARS)

    Adenoviren

    Papovaviren(Papillom, JCV, BKV)

    Parvoviren(B19, ssDNA)dsRNAReoviren(Rota)

    ssRNAPicornaviren(Polio, Rhino, Coxackie, HAV, FMDV)

    Caliciviren (Noroviren: Norwalk)

    DNA

    RNA

  • Grsse viraler Genome

    Faktoren, die die Genomgrsse begrenzen

    Dauer der Genomreplikation

    Kapsidgrsse

    RNA-Stabilitt

    Genauigkeit der viralen Polymerasen

    Circoviridae1,7-2,3 kB ssDNA

    Coronaviridae, 31 kB RNAMimivirus, 800 kB DNA

  • Klassifikation nach Replikationsstrategie:Unterschiedliche Wege vom Genom zur mRNA

    Virusgenom

    Dient als mRNA+Strang RNA Viren

    Virale RDRP transkribiert mRNA-Strang RNA Viren, dsRNA Viren

    Virale RT schreibt Genom in dsDNA umTranskription von mRNA durch zellulre DDRPRetroviren

    Zellulre DDRP synthetisiert mRNAdsDNA Viren auer Poxviren, Hepadnaviren

    Virale DDRP transkribiert mRNAPoxviren

    Umschreiben des Genoms in dsDNA und Transkription durch zellulre PolymerasenssDNA Viren

  • Virale Replikationsstrategien (Baltimore-Schema)

    mRNA

    +

    +

    + ++

    +-

    +-

    +- +-

    +-+-

    -

    -

    -

    -

    IV V VI VIIII IIII

  • Die Replikationsstrategie bestimmt den Ort der Replikation

    DNA Viren nutzen zellulre DNA-Polymerasen

    Replikation im Zellkern

    RNA Viren bentigen eigene Polymerasen

    Replikation im Zytoplasma

    AusnahmenOrthomyxo, Bunya: Nutzen splicing-Mechanismen im KernRetro: Integration ins Zellgenom

    Ausnahme Pox: Replikation im Zytoplasma

    Bentigen eigene Replikationsenzyme

  • DNA Viren

    Doppelstrang (zirkulr oder linear)

    Einzelstrang

    Unvollstndiger Doppelstrang

  • dsDNA: Polyoma, Adeno, Herpes, Pox

    Flint et al., Principles of Virology, 2004

    Polyoma

    Replikation ausgehend vom Originanalog zum zellulren Mechanismus

    Adeno

    Protein-Priming durch Terminales ProteinEigenes Replikationssystemeinschliesslich Polymerase

  • AdenovirusProtein priming der Replikation

    PolII und PolIIItranskribierte Gene

    Przise Kontrolle der Genexpression

    Splicing

    Alle mRNAs tragen identische leaderSequenz

  • Polyomavirus: Simian Virus 40

    Genom komplexiert mit Histon(Minichromosom)

    Erforschung von Mechanismen der Transkription und Transkriptionskontrolle (Enhancer)und der Onkogenese (T-Ag)

    Early und late Genexpression

  • ssDNA: Circoviren, Parvoviren

    Zirkulres GenomAntisense und ambisense

    Lineares Genom mit hairpinsHairpin ist primer fr DNA-Synthese+Strang oder -Strang

    Replikation durch Wirtsenzyme2 ORF: Replikase und Capsid

  • RNA-Viren

    Das virale Genom besteht aus RNA

    Grundlegende Eigenschaften des Replikationszykluswerden definiert durch die Polaritt des RNA-Genoms

    +Strang RNA: entspricht der mRNA-Strang RNA: komplementr zur mRNAAmbisense: eine RNA wird in beide Richtungen

    abgelesen

  • Genompolaritt von RNA-Viren

    AUG.....................................UAA5 3+

    Plus-Strang: Genom = mRNA

    UAC.....................................AUU3 5-

    Minus-Strang: Antigenom = mRNA

    AUG.....................................UAA5 3+

    AUG..................UAA CUA..................CAU5 3

    AUG..................UAG UUA..................CAU5 3

    Ambisense: Genom und Antigenom = mRNA

  • +Strang RNA: Picorna, Flavi, Corona, Toga

    Flint et al., Principles of Virology, 2004

    Genom dient als mRNAWird unmittelbar nach Infektion translatiert

    Virale RDRP synthetisiert Antigenom und neue genomische RNAMeist viruseigenes Capping-Enzym

    Erhhung der Codierungskapazitt:PolyproteinSubgenomische mRNARibosomales FrameshiftingNonsense suppression

  • Picornavirus: Poliovirus

    Protein Priming (VPg)

    RNA codiert fr ein einziges PolyproteinProteolytische Prozessierung in funktionelle Untereinheiten

    Interne Initiation der Translation (IRES)

  • RNA-Virusgenome weisen Sekundr- und Tertirstruktur auf

    Flint et al., Principles of Virology, 2004

    RNA-Genome sind stark gefaltet und enthalten Strukturelemente, die zur Kontrolle von Replikationund Transkription dienen

  • -Strang RNA: Orthomyxo, Paramyxo, Rhabdoambisense RNA: Arena, Bunya

    Flint et al., Principles of Virology, 2004

    Segmentierte oder nicht segmentierte Genome

  • Rhabdovirus: Vesicular Stomatitis Virus

    RNA-abhngige RNA Polymerase-Strang RNA dient als template fr die