Nach der Infektion beginnt das Adenovirus mit der Aktivierung der Transkriptionsmaschinerie der Wirtszelle, wodurch vier frühe prä-mRNAs erzeugt werden. Durch alternatives Spleißen entstehen daraus virale Frühproteine, darunter die virale DNA-Polymerase, ein terminales Protein sowie ein 72-kDa-DNA-Bindeprotein (DBP). Letzteres spielt eine entscheidende Rolle in der Regulation der viralen Genexpression, da es fast alle frühen Promotoren stilllegt – mit Ausnahme der E2-Region, deren sekundärer Promotor erst bei erhöhten DBP-Konzentrationen aktiviert wird.

Bemerkenswerterweise ist der späte Hauptpromotor des Virus bereits in der Frühphase der Infektion aktiv. Dennoch wird in diesem Stadium lediglich die L1-Region als mRNA transkribiert. Der Transkriptionsstopp an der Polyadenylierungsstelle bei etwa 40 Kartierungseinheiten verhindert die Verlängerung über L1 hinaus. Dieser Effekt ist auf die Blockade des Spleißens downstream der L1-Region durch zelluläre Spleißfaktoren zurückzuführen. Hinzu kommt, dass die später transkribierten mRNAs, die über L1 hinausgehen, den Zellkern nicht verlassen, was eine präzise Kontrolle über den zeitlichen Ablauf der viralen Proteinproduktion gewährleistet.

Die DNA-Replikation des Adenovirus stellt einen ungewöhnlichen Mechanismus dar, bei dem einzelsträngige DNA als Zwischenprodukt entsteht. Ausgangspunkt ist eine der beiden Enden der linearen viralen DNA, wobei ein 80-kDa-Vorläuferprotein als Primer dient. Dieses wird später zu einem 50-kDa-terminalen Protein prozessiert, das kovalent mit dem ersten Nukleotid der neu synthetisierten DNA verbunden ist – ein einzigartiger Fall in der Eukaryotenbiologie, da hier kein RNA-Primer erforderlich ist. Die Replikation erfolgt kontinuierlich ohne die Ausbildung diskontinuierlicher Fragmente. Sobald ein DNA-Strang repliziert ist, kann die andere Strangkopie durch die Bildung zirkulärer ssDNA und deren Inversion initiiert werden. Dies erlaubt zwei Replikationspfade: eine gleichzeitige Initiation an beiden Enden (Typ I) oder eine einseitige Synthese (Typ II).

Mit steigendem DBP-Level kommt es zur Repression der frühen Genexpression und zur Entfaltung der späten Transkriptionsprogramme. Das E4-Protein hebt die Blockade des Spleißens downstream der L1-Region auf und verändert die Nutzung von Polyadenylierungsstellen. Daraus entstehen bis zu 24.000 Basen lange mRNAs, die zu fünf Familien späten Transkripte gehören. Diese kodieren für Strukturproteine des Kapsids und andere späte virale Proteine, die in zelluläre Prozesse eingreifen, um die Virusmontage zu erleichtern. Zudem unterstützen einige E4-Proteinvarianten den Export viraler mRNAs in das Zytoplasma und modulieren deren Prozessierung.

Eine weitere Besonderheit ist die Synthese der VA-RNA durch die zelluläre RNA-Polymerase III, die normalerweise für die Transkription von tRNAs zuständig ist. Diese kurze, hochstrukturierte RNA unterbindet die Interferon-induzierte antivirale Abwehr, indem sie unter anderem die Expression von siRNA-verwandten Elementen inhibiert. Dadurch bleibt die Wirtszelle über längere Zeit funktionstüchtig, was dem Virus eine ausgedehnte Replikationsphase ermöglicht. Gleichzeitig wird die Apoptose terminal differenzierter Zellen beschleunigt, wodurch Platz für die Differenzierung neuer Wirtszellen geschaffen wird. Dies garantiert dem Virus eine stete Quelle frischer Zellen zur kontinuierlichen Replikation.

Obwohl keine kausale Verbindung zwischen Adenovirusinfektion und menschlichen Krebserkrankungen besteht, kann das Virus unter bestimmten Bedingungen nicht-permissive Zellen transformieren und zur Tumorbildung führen. Ähnlich wie bei Papovaviren ist der Transformationsprozess eng mit der Expression früher viraler Gene wie E1A und E1B verbunden, die in permissiven Zellen unterschiedliche Expressionsniveaus aufweisen. In Mischinfektionen konnten adenovirale Genprodukte sogar die Rolle von SV40-Genprodukten übernehmen.

Diese detaillierte Kontrolle über die temporale Genexpression, kombiniert mit der Fähigkeit zur Umgehung zellulärer Immunmechanismen und zur langfristigen Persistenz im Gewebe, verdeutlicht die hohe Komplexität der Adenovirus-Wirt-Interaktion. Das Virus bedient sich dabei einer fein abgestimmten Regulation von Transkription, Replikation, RNA-Prozessierung und zellulärer Modulation, um eine effektive und nachhaltige Infektion sicherzustellen.

Zu beachten ist außerdem die Rolle der posttranskriptionellen Modifikation viraler RNA in der Steuerung der Genexpression. Das Zusammenspiel aus Polyadenylierung, Spleißmuster, Kernexport und zellulärer Prozessierungsmaschinerie bestimmt nicht nur den zeitlichen Ablauf der viralen Replikation, sondern beeinflusst maßgeblich die Fähigkeit des Virus zur Immunevasion und Persistenz. Ebenso ist die Tatsache, dass einige Adenovirusarten keine VA-RNA exprimieren, während andere Viren, wie das Epstein-Barr-Virus, ähnliche RNA-Strukturen besitzen, ein Hinweis auf konvergente evolutionäre Strategien zur Unterwanderung zellulärer Abwehrsysteme.

Wie sich Viren in Zellkulturen vermehren und welche Bedeutung dies für die Forschung hat

Die Entwicklung der Zellkulturtechniken revolutionierte die Virologie und ermöglichte die detaillierte Untersuchung der Virusvermehrung und -pathogenese auf einer Ebene, die zuvor nicht möglich war. Bevor diese Methoden etabliert wurden, konnten menschliche Viren nur in Labortieren gezüchtet werden, was die Forschung auf diesem Gebiet erheblich einschränkte. Ein bedeutender Fortschritt in den 1930er Jahren war die Kultivierung von Viren wie dem Vaccinia-Virus und dem Herpes-simplex-Virus auf der Chorioallantoischen Membran von bebrüteten Hühnereiern. Diese Technik wurde zur Grundlage für die Untersuchung vieler Säugetierviren, da nahezu jede Virusfamilie Viren enthält, die auf diese Weise kultiviert werden können.

Obwohl Zellkulturen die Verwendung von Eiern für die Viruszucht größtenteils ersetzt haben, wird diese Methode immer noch verwendet, um Influenza-Viren zu züchten und Impfstoffe herzustellen. Die Entwicklung von In-vitro-Zellkulturtechniken führte zu einem Paradigmenwechsel in der Virologie. Forschern wurde nicht nur ermöglicht, die intrazellulären Prozesse der Virusvermehrung zu analysieren, sondern auch, die Menge an infektiösen Viren in Proben und Virusbeständen zu messen. Dies war ein entscheidender Schritt, um die Viruszucht und das Verständnis von deren Verhalten zu verbessern.

Um die Lebensfähigkeit von Zellen über längere Zeiträume hinweg zu bewahren, wurde ein künstliches Medium entwickelt, das die Zellkulturen am Leben hält, unabhängig von ihrer ursprünglichen Spezies. Diese Zellen können als Primärkulturen, Organ- oder Explantatkulturen, monolayer Zellkulturen oder auch unsterbliche Zelllinien kultiviert werden. Besonders für kurzfristige Forschungsprojekte, bei denen die Erhaltung vollständig differenzierter Zellen erforderlich ist, sind Organ- und Explantatkulturen von Bedeutung, da sie die dreidimensionale Struktur des ursprünglichen Gewebes bewahren. Ein herausragendes Beispiel hierfür sind humane respiratorische Viren, die in Trachealzellen isoliert wurden, die auf der Knorpelmatrix der Luftröhre kultiviert wurden.

Im Gegensatz dazu können kontinuierlich wachsende Zelllinien, wie die HeLa- oder BHK-21-Zellen, unbegrenzt vermehrt werden. Diese Zelllinien stammen aus Tumoren oder primären Zellen, die sich während der Zellkultur spontan transformieren. Sie können in praktisch unbegrenzter Zahl von Zellen teilen, was Konsistenz ermöglicht, jedoch häufig mit dem Verlust differenzierter Zellfunktionen einhergeht. Die HeLa-Zellen, die 1951 aus dem Gebärmutterhalskrebs einer Patientin isoliert wurden, sind auch heute noch ein unverzichtbares Werkzeug in der Virusforschung und können sogar Zellkulturen von anderen Quellen kontaminieren, aufgrund ihrer erfolgreichen Proliferation.

Mit der Einführung der Zellkulturtechniken wurde es möglich, die Virusvermehrung auf zellulärer Ebene zu beobachten und zu messen. Früher mussten Viren durch das Beobachten von Zellkulturen unter dem Mikroskop identifiziert werden, wobei morphologische Veränderungen oder Zellsterben als Indikatoren für eine Infektion dienten. Virusfamilien lassen sich anhand der typischen Erscheinung ihrer zytopathischen Effekte (CPE) identifizieren. So verursachen Herpesviren oft eine Fusion von sterbenden Zellen, die charakteristisch für die CPE sind. Dennoch können solche Techniken ungenau sein, insbesondere wenn die Probe mit anderen Erregern, wie Bakterientoxinen, kontaminiert ist.

Die Entwicklung dieser Zellkultursysteme hat nicht nur dazu beigetragen, die grundlegenden Mechanismen der Virusvermehrung und -pathogenese zu verstehen, sondern auch die Untersuchung der Genexpression und der Kontrolle von Transkription, Translation und Nukleinsäuresynthese zu ermöglichen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um die grundlegenden Mechanismen der Virusvermehrung in allen wichtigen Virusfamilien zu entschlüsseln. Ein zentraler Aspekt der Virusvermehrung ist die parasitäre Natur von Viren, die auf die Wirtszelle angewiesen sind, um virale Proteine zu synthetisieren.

Virale Genome können nach verschiedenen Strategien repliziert werden. David Baltimore schlug 1971 vor, Viren anhand der Struktur ihrer Genome und der Art und Weise, wie sie die Ribosomen der Wirtszellen zur Herstellung von mRNA nutzen, in sechs Gruppen zu klassifizieren. Diese Klassifikation vereinfachte das Verständnis der Virusvermehrung und verdeutlicht einen weiteren Aspekt der parasitären Natur von Viren, da sie auf den Stoffwechsel der Wirtszelle angewiesen sind, um ihre eigenen Proteine zu synthetisieren.

In jüngerer Zeit wurde auch die Entdeckung und das Verständnis subviraler Partikel wie Satellitenviren und Viroiden vorangetrieben. Diese besitzen entweder ein RNA- oder DNA-Genom, das für ein Kapsidprotein kodiert, sind jedoch vollständig auf das Vorhandensein eines anderen Virus angewiesen, um sich zu vermehren. Satellitenviren, wie die Dependoviren, die mit Adenoviren ko-infizieren, benötigen das Adenovirus, um ihre Genome zu replizieren. Im Gegensatz zu Satellitenviren sind Viroiden extrem kurze, einzelsträngige RNA-Moleküle, die keine Proteine kodieren und oft Pflanzeninfektionen verursachen.

Ein weiteres bemerkenswertes Beispiel für ein Virus mit besonderen Eigenschaften ist das Hepatitis-Delta-Virus (HDV), das für seine Vermehrung das Hepatitis-B-Virus benötigt. Der HDV-Genome besteht aus einer einzelnen RNA, die eine ungewöhnliche, zweiteilige Struktur aufweist und nur ein einziges Protein kodiert. Dieses Virus ist ein Beispiel für die Komplexität und Anpassungsfähigkeit von Viren und ihrer Fähigkeit, sich zu verändern und zu überleben, indem sie ihre Genomstruktur und -sequenz im Einklang mit den selektiven Druckfaktoren der Wirtsumgebung anpassen.

Viren sind in ihrer Fähigkeit zur Anpassung und Evolution äußerst flexibel. Jedes Virus weist eine dynamische Population von nahezu identischen Genomsequenzen auf, die sogenannten Quasiarten. Diese Quasiarten replizieren gleichzeitig, aber in unterschiedlichem Tempo, beeinflusst von verschiedenen Selektionsdrücken. Die Mechanismen, die diese Diversität antreiben, umfassen Mutationen, genetische Rekombination und Genomreassortierung bei segmentierten Genomen. Dies führt zu einer ständigen Anpassung der Viren an neue Umgebungen, Wirtsarten und Immunantworten, was es ihnen ermöglicht, sich schnell weiterzuentwickeln und neue Varianten zu bilden.

Die Evolution von Viren ist ein fortlaufender Prozess, der durch den kontinuierlichen Austausch von genetischem Material zwischen verschiedenen Viruspopulationen und ihren Wirtszellen vorangetrieben wird. Diese Fähigkeit zur schnellen genetischen Veränderung ist eine der Hauptursachen für die Virulenz und Anpassungsfähigkeit von Viren an neue Wirtstypen oder Umweltbedingungen.

Wie wird die genetische Information in RNA-Viren übertragen und repliziert?

Die Familie der Rubiviren umfasst das Rötelnvirus, das ein einfachsträngiges, nicht segmentiertes RNA-Genom von etwa 11,7 kb Länge aufweist. Das Kapsid dieses Virus besteht aus 240 Kopien eines einzigen Kapsidproteins, das ungefähr 264 Aminosäuren umfasst. Zwei virale Glykoproteine, E1 und E2, befinden sich in der Hülle des Virus. Das Genom dieses Virus ist am 3′-Ende polyadenyliert und trägt am 5′-Ende eine Kappe, was ihm eine Struktur verleiht, die der mRNA ähnlich ist. Die nicht-strukturellen Proteine, die für die Transkription und Replikation erforderlich sind, werden im 5′-Bereich des Genoms kodiert, während die strukturellen Proteine (Kapsid, E1 und E2) im 3′-Bereich kodiert sind.

Die virale RNA wird zur Translation der nicht-strukturellen Proteine genutzt, wobei ein Polyprotein produziert wird, das später in reife Proteine gespalten wird. Ein interner Promotor auf dem (-)-Strang wird verwendet, um eine subgenomische mRNA vom 3′-Ende des Genoms zu synthetisieren. Diese subgenomische mRNA codiert für drei strukturelle Proteine: Kapsid, E1 und E2. Die Synthese des Kapsidproteins erfolgt an freien Ribosomen im Zytoplasma. Dieses Protein wird ko-translational abgespalten und zeigt eine Signalsequenz, die das Ribosom zur Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) führt, wo die verbleibenden Proteine E1 und E2 weiter übersetzt werden. E1 und E2 werden in der Nähe der rauen ER-Membran produziert, durchlaufen den Golgi-Apparat und werden anschließend an die Plasmamembran transportiert.

Bei den Flaviviren, einer weiteren Virenfamilie, ist das Genom ein einzelsträngiges, nicht-polyadenyliertes RNA-Genom von etwa 10,5 kb. Wie bei den Rubiviren ist das Genom an seinem 5′-Ende gekappt. Diese Viren umfassen drei Hauptgattungen: Flaviviren (wie das Gelbfiebervirus), Pestiviren (wie das Virus der bovinen viralen Diarrhoe) und Hepatitis-C-Viren. Diese Viren verbreiten sich meist durch Insektenstiche. Die strukturellen Proteine werden im 5′-Bereich des Genoms codiert, während die nicht-strukturellen Proteine im 3′-Bereich des Genoms codiert werden. Ein einziges Polyprotein wird aus dem gesamten viralen Genom übersetzt und später in reife Proteine gespalten. Das subgenomische RNA entwickelt sich jedoch nicht und die Synthese der mRNA erfolgt direkt durch den gesamten Genomtranskript.

Das Coronavirus-Genom ist ein weiteres Beispiel für ein RNA-Genom, das in einer anderen Familie von Viren vorkommt. Die beiden Gattungen Coronaviren und Toroviren gehören zur Familie Coronaviridae. Das Genom dieser Viren ist etwa 27–30 kb groß und polyadenyliert am 3′-Ende. Die Envelope dieser Viren enthält zwei Glykoproteine: das Spike-Protein (SpP), das die Rezeptorbindung und Zellfusion fördert, sowie das Membranprotein (M), das das virale Nukleokapsid mit der viralen Hülle verbindet. Die Viren replizieren sich im Zytoplasma der infizierten Zellen, ohne die Zellen zu lysieren. Die neu gebildeten Virionen werden durch den Golgi-Apparat transportiert und an der Zelloberfläche abgegeben.

Das Genom der negativen RNA-Viren unterscheidet sich erheblich von dem der positiven RNA-Viren. Negative RNA-Viren wie das Rabiesvirus und Ebola-Viren gehören zur Ordnung Mononegavirales, die vier Familien umfasst: Rhabdoviridae, Paramyxoviridae, Filoviridae und Bornaviridae. Diese Viren besitzen ein einzelsträngiges RNA-Genom, das als Template für die Synthese der mRNA dient. Die Transkription dieser Viren erfolgt durch die virale RNA-abhängige RNA-Polymerase, die in das infizierte Zellsystem eingebracht wird. Das Genom dieser Viren ist nicht direkt infektiös, da es ohne die Hilfe des viralen Enzyms nicht in mRNA übersetzt werden kann.

Die Gene in den Genomen dieser negativen RNA-Viren sind oft in mehrere Open Reading Frames (ORFs) unterteilt, die für nicht-strukturelle Proteine codieren. Diese Gene sind oft sehr weit von den Promotoren entfernt und müssen sorgfältig reguliert werden, um die virale Replikation zu gewährleisten. In den meisten Fällen wird eine RNA-abhängige RNA-Polymerase benötigt, die direkt in die Zelle eingebracht wird, um die Virusreplikation zu starten. Diese Polymere stellen sicher, dass die virale mRNA produziert wird und die viralen Proteine zur Assemblierung neuer Virionen bereitstehen.

Ein weiteres wichtiges Element ist, dass diese Viren häufig eine ausgeklügelte Strategie entwickeln, um die Immunantwort des Wirts zu umgehen. Einige dieser Viren codieren für zusätzliche Gene, die spezifische Abwehrmechanismen der Wirtszellen hemmen, was zu einer effektiveren Virusvermehrung führt.

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