Susanne Modrow

Viruses with Single-Stranded, Positive-Sense RNA Genomes

Eight virus families whose members infect vertebrates are currently known to possess single-stranded, positive-sense RNA genomes: the families Picornaviridae, Caliciviridae and Hepeviridae have non-enveloped capsids, whereas the families Flaviviridae, Togaviridae, Arteriviridae and Coronaviridae are characterized by enveloped capsids. They all have in common the property of using their own genome as messenger RNA (mRNA), from which they synthesize one or several polyproteins that are subsequently cleaved into individual proteins by viral or cellular proteases. These viruses possess the genetic information for the synthesis of an RNA-dependent RNA polymerase. This enzyme transcribes the positive RNA strand as well as the complementary negative RNA strands, which arise as intermediate products of genome replication. In the course of this process, the new genomic RNA molecules are generated from the second transcription step. The classification into the different taxonomic families depends on the number, size, position and orientation of viral genes in the RNA molecule, the number of different polyproteins that are synthesized during viral infection and the existence of an envelope as a virion component.

Labormethoden zum Nachweis von Virusinfektionen

Bereits um 1880 standen Methoden zum Nachweis von bakteriellen Infektionen zur Verfugung: Nach Anfarbung waren die Erreger aufgrund ihrer Grose im Lichtmikroskop zu erkennen und konnten in Nahrmedien gezuchtet werden. Viren entzogen sich dieser Vorgehensweise, da sie deutlich kleiner sind und sich als obligate Zellparasiten in Nahrmedien nicht vermehren konnen. Zwar konnte man zur Jahrhundertwende bereits einige Virusinfektionen mit bestimmten Zellveranderungen und Ablagerungen im infizierten Gewebe in Verbindung bringen. Ein Beispiel sind die negrischen Einschlusskorperchen in Nervenzellen bei der Tollwuterkrankung. Eine spezifische Diagnostik war jedoch erst durch die Entwicklung der Methoden zur Zellkultur und der modernen Molekularbiologie moglich. Heute kann man Virusinfektionen direkt nachweisen, indem man mit geeigneten Methoden den Erreger selbst, einzelne virale Proteine oder die Erbinformation im Blut oder anderen Materialien infizierter Personen oder Tiere bestimmt.

Transformation and Carcinogenesis

It was acknowledged long ago that viruses may cause cancer in animals. In 1911, Peyton Rous described viruses as causing sarcomas in poultry. The tumour-inducing virus responsible was later named after him, Rous sarcoma virus. In the following decades, a large number of viruses were discovered that can cause various cancers in poultry and rodents, such as lymphomas, sarcomas and carcinomas. Many of them belong to the family Retroviridae, and were classified into the genera Alpharetrovirus, Betaretrovirus and Gammaretrovirus. Most of these pathogens were isolated from inbred strains of the respective species or from cell cultures; under natural conditions, these strains are likely irrelevant as a cause of cancer in the corresponding species. An exception is feline leukaemia virus (10.1007/978-3-642-20718-1_18). The tumorigenic potential of oncogenic retroviruses is based on transformationally active proteins. They are similar to cellular products which are ordinarily involved in the regulation of cell division. In contrast to the cellular products, viral oncogene proteins are altered by mutations in such a way that they are not subject to regulatory control, and are thus constitutively active. In fact, the discovery of viral oncogenes was pioneering and has paved the way for deciphering cellular oncogenes, and thus for understanding the molecular basis of carcinogenesis. Evidence for the existence of retroviruses that cause cancer in humans was found only in 1982 when Robert Gallo discovered human T-lymphotropic virus (HTLV; 10.1007/978-3-642-20718-1_18).

Viren mit einzelsträngigem RNA-Genom in Plusstrangorientierung

Zusammenfassung Heute sind acht Virusfamilien bekannt, deren Vertreter eine einzelsträngige RNA in Plusstrangorientierung besitzen: Die Picornaviridae, Caliciviridae, Astroviridae und Hepeviren verfügen über Capside, die keine Hüllmembran aufweisen, wohingegen die Flaviviridae, Togaviridae, Arteriviridae und Coronaviridae durch membranumhüllte Partikel gekennzeichnet sind. Allen gemeinsam ist, dass sie ihre Genome als mRNA verwenden und davon ein oder mehrere Polyproteine synthetisieren, die im weiteren Verlauf durch virale oder auch zelluläre Proteasen in Einzelkomponenten gespalten werden. Die Viren verfügen über eine RNA-abhängige RNA-Polymerase, welche die Plusstrang-RNA sowie die als Zwischenprodukte der Replikation auftretenden Negativstränge übersetzt; dabei gehen die neuen genomischen RNA-Moleküle aus dem zweiten Transkriptionsschritt hervor. Die Einteilung in die unterschiedlichen Familien richtet sich nach Zahl, Größe, Lage und Orientierung der Virusgene auf der RNA, nach der Anzahl der unterschiedlichen Polyproteine, die während der Infektion synthetisiert werden, und nach dem Vorhandensein einer Hüllmembran als Teil der Virionen.

Viren mit einzelsträngigem, kontinuierlichem RNA-Genom in Negativstrangorientierung

Die Viren, die ein einzelstrangiges, durchgangiges RNA-Genom in Negativstrangorientierung haben, fasst man in der Ordnung der Mononegavirales zusammen. Zu ihnen zahlen die Familien Rhabdoviridae, Bornaviridae, Paramyxoviridae und Filoviridae.

Viruses: Definition, Structure, Classification

Viruses are infectious units with diameters of about 16 nm (circoviruses) to over 300 nm (poxviruses; Table 2.1). Their small size makes them ultrafilterable, i.e. they are not retained by bacteria-proof filters. Viruses have evolved over millions of years, and have adapted to specific organisms or their cells. The infectious virus particles, or virions, are composed of proteins and are surrounded in some species of viruses by a lipid membrane, which is referred to as an envelope; the particles contain only one kind of nucleic acid, either DNA or RNA. Viruses do not reproduce by division, such as bacteria, yeasts or other cells, but they replicate in the living cells that they infect. In them, they develop their genomic activity and produce the components from which they are made. They encode neither their own protein synthesis machinery (ribosomes) nor energy-generating metabolic pathways. Therefore, viruses are intracellular parasites. They are able to re-route and modify the course of cellular processes for the optimal execution of their own reproduction. Besides the genetic information encoding their structural components, they additionally possess genes that code for several regulatory active proteins (such as transactivators) and enzymes (e.g. proteases and polymerases).

Laboratory Methods for Detecting Viral Infections

The first methods for detection of bacterial infections were available around 1880. After staining, bacterial pathogens were recognized in the light microscope because of their size and could be cultivated in culture media. Viruses evaded this approach, as they are significantly smaller, and as obligate parasites are not able to multiply in cell culture media. Although some viral infections could be associated with specific cellular changes and certain depositions in the infected tissue around the turn of the century, e.g. Negri inclusion bodies in nerve cells during rabies, a specific diagnosis was only possible through the development of cell culture methods and modern molecular biology. Today, viral infections can be detected directly by determining the agents, individual viral proteins, or their genetic information, or other materials in the blood of infected people or animals by using appropriate methods. Direct detection of viruses is possible, with the exception of latent or persistent infection forms, only during the acute phase of the disease. In some cases, the pathogens are present in the infected organism only before the symptomatic phase, so the direct detection of the virus is frequently not successful. Therefore, infections or contact with pathogens is usually demonstrated in virus diagnostics indirectly by characterization of the developing specific immune response.

Viral Proliferation and Replication

As obligate cellular parasites, viruses do not have their own metabolism; therefore, they must infect cells for reproduction. The virus particles must be able to recognize specific receptor molecules on the cytoplasmic membrane of the host cell and to bind to them. This process is known as attachment. In enveloped viruses, this interaction is mediated by proteins that are embedded within the viral envelope. This is the case in influenza viruses as well as retroviruses and herpesviruses. Binding of viral envelope proteins to cellular surface structures is to some extent very specific: this is the case for the interaction between the surface protein gp120 of human immunodeficiency virus (HIV) and the CD4 receptor, a polypeptide that occurs almost exclusively in the cytoplasmic membrane of T-helper cells and macrophages (Sect. 10.1007/978-3-642-20718-1_18). In other cases, viral proteins bind to cellular structures that are found on many cell types. One example is the binding of haemagglutinin of influenza viruses (Sect. 10.1007/978-3-642-20718-1_16) to terminal N-acetylneuraminic acid residues of complex oligosaccharides, which are found as protein and lipid modifications on the membrane surface of various cells.

Viren: Definition, Aufbau, Einteilung

Zusammenfassung Viren sind infektiöse Einheiten mit Durchmessern von etwa 16 nm (Circoviren) bis über 300 nm (Pockenviren; ▸Tabelle 2.1). Ihre geringe Größe macht sie ultrafiltrierbar, das heißt, sie werden durch bakteriendichte Filter nicht zurückgehalten. Viren haben sich während der Evolution in Millionen von Jahren entwickelt und an bestimmte Organismen beziehungsweise deren Zellen angepasst. Die infektiösen Viruspartikel oder Virionen bestehen aus Proteinen und sind bei einigen Virustypen von einer Lipidmembran umgeben, die man oft als Hülle oder Envelope bezeichnet; die Partikel enthalten jeweils nur eine Art von Nucleinsäure, nämlich entweder DNA oder RNA. Viren vermehren sich nicht durch Teilung wie Bakterien, Hefen oder andere Zellen, sondern replizieren sich in lebenden Zellen, die sie infizieren. Dort entfalten sie ihre Genomaktiviät und produzieren die Komponenten, aus denen sie aufgebaut sind. Sie codieren weder für eine eigene Proteinsynthesemaschinerie (Ribosomen) noch für energiebildende Stoffwechselsysteme. Viren sind damit intrazelluläre Parasiten. Molekularbiologische Charakteristika der verschiedenen Virusfamilien mit Angabe einiger typischer Vertreter

Die Evolution der Viren

Zusammenfassung Viren sind aufgrund ihrer kurzen Generationszeit, der großen Zahl von Nachkommen, die sie im Infektionsverlauf produzieren, und nicht zuletzt aufgrund ihrer einfachen Struktur ideale Objekte zum Studium von Evolutionsprozessen. Viren müssen sich ständig den Bedingungen ihres Wirtes oder ihrer Wirtspopulationen anpassen, sodass Mechanismen der Selektion experimentellen Ansätzen zugänglich sind. Dabei spielen unterschiedliche Kriterien, wie die antigene Diversität, das Ausmaß der Virusausscheidung, der Grad der Virulenz und viele andere Faktoren eine wichtige Rolle. Die vollständige Adaptation eines Virus an seinen Wirt, welche in eine möglichst geringe Virulenz des Infektionserregers mündet, ist die für beide erstrebenswerte Konsequenz: ein problemloses Zusammen- und Überleben. So scheinen die Hepatitis-G-Viren, die zwar erstmals aus Patienten mit einer Leberentzündung isoliert wurden, ähnlich wie die TT-Viren in vielen Menschen zu persistieren, ohne dass sie dabei Erkrankungen verursachen (▸Abschnitte 14.5 und 20.2).