Zum Inhalt springen

Virushülle

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Dies ist eine alte Version dieser Seite, zuletzt bearbeitet am 24. September 2007 um 08:12 Uhr durch Gleiberg (Diskussion | Beiträge) (von Benutzer:Gleiberg/Baustelle2 eingefügt). Sie kann sich erheblich von der aktuellen Version unterscheiden.
Abb. 1: Ein behülltes Virus aus der Gattung Influenzavirus: Acht Helikale Kapside werden von einer Virushülle umschlossen.

Die Virushülle (engl. viral envelope) ist bei einigen Viren eine äußere Struktur, die aus Lipiden einer Lipid-Doppelmembran der ursprünglichen Wirtszelle und darin eingelagerte virale Proteine besteht. Die Virushülle umschließt meistens ein vorhandenes Kapsid, in das wiederum die virale Nukleinsäure verpackt ist. Je nach Virusart entsteht die Hülle aus der Zellmembran an der Zelloberfläche oder aus Membranen des Endoplasmatischen Retikulums (ER) bzw. Golgi-Apparates im Inneren der Zelle.
Das Vorhandensein einer Virushülle ist ein wichtiges Kriterium bei der Einteilung von Viren, der sogenanten Virus-Taxonomie. Dabei werden die behüllten Viren von den unbehüllten oder „nackten“ Viren abgegrenzt. Während unbehüllte Viren die infizierte Zelle stets durch Zerstörung der Wirtszelle verlassen müssen, können behüllte Viren ohne eine solche Lyse freigesetzt werden. Die Virushülle hat eine große Bedeutung bei der Aufnahme von Viren in die Zelle, der Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen und Desinfektionsmitteln sowie der erleichterten Fähigkeit zur Veränderung der Virusoberfläche. Diese Variabilität durch eine Virushülle ist ein evolutionärer Vorteil gegenüber unbehüllten Viren. Sie ermöglicht behüllten Viren, die Immunabwehr eines Wirtes leichter zu unterlaufen oder sich besser an einen neuen Wirt anzupassen. Diese Eigenschaften der Virushülle haben zur Folge, daß sämtliche beim Menschen neu auftretenden Viren („emerging viruses“), die eine reale oder potentielle Gefährdung durch eine Pandemie darstellen, behüllte Viren sind; so z. B. das HIV, SARS-Coronavirus, Influenzavirus, Ebola-Virus und West-Nil-Virus.

Entdeckung

Die Anfänge der Virologie und die Definiton der Viren als neue Art infektiöser Erreger, sind mit zwei unbehüllten Viren verknüpft: Dem Tabakmosaikvirus (Dimitri Ivanovskij 1892 und Martinus Beijerinck 1898) und dem Maul-und-Klauenseuche-Virus (Friedrich Loeffler und Paul Frosch 1897).[1] Das von Walter Reed 1901 entdeckte Gelbfieber-Virus [2] war das erste beim Menschen identifizierte Virus und zugleich das erste beschriebene behüllte Virus. Diese Untersuchungen beschränkten sich jedoch auf Übertragungswege, die Morphologie der Viren blieb bis auf die Eigenschaft der besonderen Kleinheit (Unsichtbarkeit im Lichtmikroskop) zunächst unbekannt.

Datei:Helmutruska.jpg
Helmut Ruska (1908-1973)

Diese Barriere des Lichtmikroskops konnte erst in den 1930er Jahren mit der Entwicklung des Elektronenmikroskops durch Helmut und Ernst Ruska überwunden werden. Schon die ersten Aufnahmen mit dieser neuen Technik zeigten Umrisse von Viren mit länglicher oder runder Gestalt. [3] Eine Differenzierung der Feinstruktur der Viren und Darstellung der Virushülle war mit den frühen Kontrastfärbungen jedoch noch nicht möglich. Immerhin schlug Helmut Ruska 1943 nach Untersuchung damals vorhandener Virusisolate eine erste Einteilung der Viren nach Größe und Form vor.[4] Bis dahin wurden die Viren nach dem befallenen Wirt und der jeweiligen Erkrankung eingeteilt.

In den 1950er Jahren konnten auch Viren in den von Renato Dulbecco und Harry Eagle entwickelten Zellkulturen gezielt angezüchtet und in großen Mengen vermehrt werden. Durch die Reinheit und Konzentration dieser Viruspräparation war auch die chemische Zusammensetzung und damit der Lipidanteil von Viren erst genauer zu bestimmen. Bis zur Etablierung dieser Technik mußte man sich auf die Virus-Isolierung aus infizierten Wirten oder auf die 1932 entwickelte [5] und 1946 für die Virusvermehrung verbesserte Anzucht in bebrüteten Hühnereiern beschränken. [6] Einige Viren verloren ihre Fähigkeit, die Hühnerembryonen zu infizieren, wenn man die Viruslösung vorher mit verschiedenen Stoffen behandelte, [7] darunter auch fettlösende Verbindungen wie Äther (Diethylether) oder Detergenzien wie Natrium-Desoxycholat. Diese sogenannte „Äther-Empfindlichkeit“ von Viren wurde nur bei einigen Viren wie den Influenzaviren oder den Herpesviren beobachtet, andere wie das Poliovirus oder das Maul-und-Klauenseuche-Virus waren auch nach einer Behandlung mit Äther noch infektiös. Die Äther-Empfindlichkeit wurde so zu einem weiteren wichtigen Kriterium bei der Einteilung von Viren und konnte in den 50er-Jahren auch schon mit dem Nachweis von Lipiden bei gereinigten Viren in Verbindung gebracht werden. [8] Äther-empfindliche Viren wiesen ein Lipidanteil von 20-30 % auf.

Elektronenmikroskopisches Bild des Herpes-simplex-Virus mit der typischen „Spiegeleiform“
Kryo-EM-Darstellung der Virushülle eines Alphavirus

Daß der Lipidanteil der Viren im Zusammenhang mit einer Membranstruktur stehen könnte, wurde damals bereits vermutet. Die Existenz von lipidhaltigen Doppelmembranen bei Zellen konnte schon durch die Untersuchungen von Gorter und Grendel 1925 bewiesen werden, [9] und es lag nahe, eine ähnliche Struktur bei lipidhaltigen Viren anzunehmen. Entscheidend war der Beweis, daß die Zusammensetzung der Lipidkomponenten der Viren jenen der jeweiligen Wirtszelle ähnelten, in der die Viren angezüchtet wurden.[10] Der erste Hinweis auf eine Virushülle in elektronenmikroskopischen Bildern kann im Nachhinein in einer Untersuchung von Coriell 1950 nachverfolgt werden. Er isolierte Herpes-simplex-Viren aus Herpesbläschen. Dabei beobachtete er eine eigenartige, runde Form der Viren mit einer zentralen Aussparung, die er als „Doughnut-ähnlich“ beschrieb. [11] Heute wird dieses typische Erscheinungsbild der Herpesviren als „Spiegeleiform“ bezeichnet, dies meint ein ikosaedrisches Kapsid im Innern umgeben von einer sehr dicken Virushülle. Erst ab 1959, als ein besonderes Färbeverfahren mit Uransalzen für die Elektronenmikroskopie entwickelt werden konnte,[12] stellte sich die Struktur der Viren viel differenzierter dar, so daß auch die Virushülle sichtbar gemacht werden konnte. Noch heute ist diese sogenannte Negativkontrast-Färbung die wichtigste Methode zur elektronenmikroskopischen Darstellung von Viren.
Mit der Erforschung der zellulären Membranen in den 1960er und 1970er-Jahren ging auch eine Erweiterung des Verständnisses der Virushüllen einher. Dies wurde durch verfeinerte Techniken zur Strukturaufklärung der Hüllproteine wie der Röntgenbeugung, der Gefrierbruch-REM [13] und der NMR-Spektroskopie ermöglicht, aber auch dank neuer Überlegungen über die Eigenschaften von Biomembranen wie dem Flüssig-Mosaik-Modell von Singer und Nicholson. [14] In den letzten zwanzig Jahren lieferte besonders die Kryo-Elektronenmikroskopie entscheidende Einblicke in die Feinstruktur der Virushüllen. Mit dieser Technik ist es möglich, die Form und Anordnung einzelner Hüllproteine zu bestimmen und mit einer Fourier-gestützten Bildverarbeitung die Virushülle mit einer Auflösung von 6-10 Å darzustellen.

Aufbau der Virushülle

Eine Virushülle besteht immer aus viralen Hüllproteinen, die in eine Lipid-Doppelmembran eingebettet sind. Die Einlagerung der Hüllproteine in die Membran geschieht bereits während ihrer Synthese an den Ribosomen des rauhen Endoplasmatischen Retikulums (rER). Entweder kann die Virushülle sich bereits hier aus der Membran des rER bilden oder die mit Hüllproteinen besetzten Membranbereiche werden durch den normalen zellulären Membranfluß zur Zellmembran, Kernmembran oder dem Golgi-Apparat transportiert. Dadurch daß sich die Hüllproteine beim Prozeß der Umhüllung in kleineren Membranflächen konzentrieren und zusammenlagern, werden zelluläre Membranproteine verdrängt, die dann nicht in die Virushülle eingebaut werden. Aufgrund dieser Verdrängung zellulärer Membranproteine besteht die Doppelmembran der Virushülle nicht aus unveränderten zellulären Membranen, sondern nur aus deren Lipidanteil.
Der Anteil an eingelagerten Hüllproteinen ist meist so hoch, daß der Lipidanteil an der Oberfläche an keiner Stelle unbedeckt vorliegt. Die Lipidmembran der Virushülle ist daher für Antikörper nicht mehr direkt zugänglich. Bei einigen Viren wie beispielsweise den Hepadnaviridae ist der Proteinanteil der Virushülle so hoch, daß die Virushülle fast ausschließlich aus dicht gepackten Hüllproteinen besteht. Diese sind sehr regelmäßig angeordnet und gegenüber Umwelteinflüssen und Detergenzien resistenter als andere behüllte Viren.

Lipidanteil

Anordnung der Phospholipide in einer Lipid-Doppelmembran

Die Lipidmembran der Virushülle besteht, wie bei allen zellulären Membranen ebenfalls, aus einer Doppelschicht von Phospholipiden. Diese besitzen einen hydrophilen Kopf, der die Oberflächen der Membran bildet, und zwei nach innen gerichteten lipophilen Kohlenwasserstoffketten. Die am Aufbau der Virushülle beteiligten Phospholipide sind Phosphatidylcholine (auch Lecithine genannt), Phosphatidylethanolamine, Phosphatidylserine und Sphingomyeline. Zu den Phospholipiden tritt noch ein unterschiedlich hoher Anteil an Cholesterin hinzu.[15] Die unterschiedlichen zellulären Membranen und damit auch die Virushüllen, variieren in der Zusammensetzung der verschiedenen Phospholipide und dem Gehalt an Cholesterin, das ganz entscheidend für die unterschiedliche Morphologie von Virushüllen ist.

Virale Hüllproteine

Einlagerung von Hüllproteinen als Dimer in eine Zellmembran. 1: Oligosaccaride, 2: Disulfidbrücken, 3: Transmembran-Domäne, 4: Lipidmembran, 5: intrazellulärer Anker, 6: Zytoplasma, C/N: C- bzw. N-Terminus


Symmetrische Virushüllen

Der innere Anteil der Hüllproteine kann mit einem umhüllten Kapsid dergestalt interagieren, daß stets nur ein Hüllprotein (oder ein zusammengelagertes Dimer bzw. Trimer der Hüllproteine) an nur ein Kapsomer bindet. Dadurch wird die Form und Symmetrie des inneren ikosaedrischen Kapsids auf die äußere Virushülle übertragen und es ergeben sich streng ikosaedrisch aufgebaute Virushüllen.[16] Diese Form der „Morphogenese von innen nach außen“ findet sich bei der Gattung Alphavirus der Familie Togaviridae (z.B. dem Semliki-Forest-Virus[17] und Sindbis-Virus) und der Gattung Flavivirus der Familie Flaviviridae.

Datei:Sindbis-Virus Struktur.jpg
Maßstabsgerechter Querschnitt des Sindbis-Virus (auf der Basis Cry-Elektronenmikroskopischer Dichtemessungen von W. Zhang 2002)

Bei den größeren Viren der Familie Bunyaviridae ist ebenfalls eine regelmäßige Anordnung der Hüllproteine in Form eines Ikosaeders nachweisbar (Triangulationszahl T=12), jedoch kein symmetrisches, ikosaedrisches Kapsid.[18] Hier gibt die enge Wechselwirkung der Hüllproteine untereinander die Form der Virushülle vor, was man auch als eine „Morphogenese von außen nach innen“ bezeichnen kann.

Sonderformen

Bei wenigen Virusfamilien ist eine Lipid-Doppelmembran nicht als äußere, umhüllende Struktur vorhanden, sondern befindet sich im Inneren der Virionen. Besonders außergewöhnlich sind hier zwei Familien von Bakteriophagen, die Corticoviridae und Tectiviridae, bei denen sich die Lipidmembran im Inneren eines ikosaedrischen Kapsids befindet. Diese Struktur wird nicht als Virushülle bezeichnet, da sie weder außen liegt noch typische Aufgaben einer Virushülle wie die Anheftung an die Zelloberfläche erfüllt. Die bei diesen Viren vorhandenen Membranbläschen dienen nach Anheftung des Kapsids an die Bakterienoberfläche dem aktiven Eindringen der doppelsträngigen Bakteriophagen-DNA in die Wirtszelle.

Bei Vertretern der Familie Poxviridae besteht die Virushülle aus einer äußeren und zusätzlich inneren Doppelmembran.

Entstehung während der Virusvermehrung

Entstehung aus der Zellmembran

Knospung eines Virus mit ikosaedrischem Kapsid an der Zellmembran


Entstehung aus der Golgi-Membran

Knospung an der Kernmembran

Die Mitglieder der Virusfamilie Herpesviridae sind in ihrem Aufbau, ihrer Vermehrungsstrategie und auch in der Entstehung der Virushülle ein Sonderfall, da die Kapside der Herpesviren im Zellkern zusammengebaut werden, in dem auch die doppelsträngige DNA der Viren synthetisiert wird. Bereits bei sehr frühen elektronenmikroskopischen Untersuchungen an Zellen, in denen sich das Herpes-simplex-Virus vermehrt, konnte man knospende Kapside an der Innenseite der Kernmembran und behüllte Viruspartikel in der den Kern umgebenden perinukleären Zisterne erkennen.[19] Da die perinukleäre Zisterne über Membranschläuche mit dem rauhen ER verbunden ist nahm man an, daß die reifen Virionen dann über Membranbläschen des Golgi-Apparates aus der Zelle geschleust werden. Eine Untersuchnung der Lipidzusammensetzung der Virushülle ergab jedoch, daß die Lipidkomponenten nicht denen der Kernmembran entsprechen, sondern das Lipidprofil der Golgimembran besitzen.[20] Dieser Befund führte zu der Entdeckung, daß die Herpesviren zuerst durch Knospung an der Kernmembran eine Virushülle erlangen. Diese fusioniert jedoch wieder mit der äußeren Membran der perinukleären Zisterne und gibt so das nackte Kapsid in das Zytosol frei. Erst durch eine zweite Knospung in den Golgiapparat hinein erhält das Kapsid seine endgültige Hülle. Diese sogenannte sekundäre Behüllung entspricht dann erst der Virushülle der freigesetzten Viren.

Die Kapside behüllter und unbehüllter Viren

Bei Virushüllen mit hohem Lipidanteil sind die Hüllproteine flexibel angeordnet und können sich seitwärts in der Membran bewegen. Diese flüssige Eigenschaft der Virushülle bedeutet, daß auch dann eine geschlossene Umhüllung vorliegt, wenn ein Fehler in der Anordnung der Hüllproteine oder eine Lücke in der Oberflächensymmetrie auftritt. Eine solche Fehlanordnung würde bei unbehüllten Viren zu einem mangelhaften Schutz des Genoms oder zum Zerfall des Kapsids führen. Der Schutz durch eine Virushülle bedeutet auch eine größere Freiheit im Aufbau des Kapsids im Vergleich zu unbehüllten Viren, da diese nicht mehr unmittelbar dem Schuz des Genoms vor Nukleasen dienen oder ein Angriffspunkt für das Immunsystem darstellen. Die Kapside behüllter Viren können daher auch Lücken aufweisen oder nur netzartig das Genom umkleiden. Dies hat bei Retroviren und den nahe verwandten Hepadnaviren (z.B. dem Hepatitis-B-Virus)[21] eine große Bedeutung, da das noch unbehüllte aber geschlossene Kapsid während der Vermehrung noch ATP und und Nukleotide aufnehmen kann, um das schon verpackte Genom zu komplettieren. Bei den Kapsiden behüllter Viren lassen die Lücken auch eine Freisetzung des Genoms z.B. an der Kernpore zu, ohne daß das Kapsid im Cytosol vorher zerfallen muß.

Energetische Betrachtung der Virushülle

Biologische Bedeutung

Virushülle als Pathogenitätsfaktor

Virushülle und Virusinaktivierung

Entstehung von Pandemien und „Neuen Viren“

Quellen

Einzelnachweise

  1. ↑ Für eine Übersicht siehe: Karlheinz Lüdtke: Zur Geschichte der frühen Virusforschung, MPI für Wissenschaftgeschichte 1999 [1]
  2. ↑ Reed, W.: Recent researches concerning the etiology, propagation and prevention of yellow fever by the United States Army Commission. J. Trop. Med. (1901) 5: 143-158
  3. ↑ B. v. Borries, E. Ruska und H. Ruska: Bakterien und Virus in übermikroskopischer Aufnahme. Klin. Wochenschrift (1938) 17: S. 921-925 [2]
  4. ↑ H. Ruska: Versuch zu einer Ordnung der Virusarten. Arch. ges. Virusforsch. (1943) 2: S. 480-498
  5. ↑ E. W. Goodpasture, A. M. Woodruff, G. J. Buddingh: Vaccinal infection of the chorio-allantoic membrane of the chick embryo. Amer. J. Pathol. (1932) 8: S. 271
  6. ↑ W. I. B. Beverige, F. M. Burnet: The cultivation of viruses and rickettsiae in the chick embryo. Med. Res. Council Spec. Rept. Ser (1946) 256
  7. ↑ W. B. Dunham, W. J. Macneal: Culture on the Chick Chorio-allantois as a Test of Inactivation of Vaccinia Virus. J. Bacteriology (1942) 44(4): S. 413-424 PMID 16560579
  8. ↑ M. Uhler, S. Gard: Lipid content of standard and incomplete influenza A virus. Nature (1954) 173(4413): S. 1041-1042 PMID 13165714
  9. ↑ E. Gorter, F. Grendel: On bimolecular layers of lipoid on the chromocytes of the blood. J. Exp. Med. (1925) 41: S. 439–443 [3]
  10. ↑ L. H. Frommhagen, N. K. Freeman, C. A. Knight: The lipid constituents of influenza virus, chick allantoic membrane and sedimentable allantoic protein. Virology (1958) 5(1): S. 173-175 PMID 13519759
  11. ↑ L. L. Coriell, G. Rake et al.: Electron microscopy of herpes simplex. J Bacteriol. (1950) 59(1): S. 61-68 PMID 15400321
  12. ↑ S. Brenner, R. W. Horne: A negative staining method for high resolution electron microscopy of viruses. Biochim. Biophys. Acta (1959) 34: S. 103-110 PMID 13804200
  13. ↑ D. Branton: Fracture faces of frozen membranes. PNAS (1966) 55: S. 1048-1056 PMID 5334198
  14. ↑ S. J. Singer, G. L. Nicholson: The fluid mosaic model of the structure of cell membranes (1972) Science 175: S. 720-731 PMID 4333397
  15. ↑ J. W. Corran, W. C. Lewis: Lecithin and Cholesterol in Relation to the Physical Nature of Cell Membranes. Biochem J. (1924) 18(6): S. 1364-1370 PMID 16743417
  16. ↑ R. H. Cheng, R. J. Kuhn et al.: Nucleocapsid and glycoprotein organization in an enveloped virus. Cell (1995) 80(4): S. 621-630 PMID 7867069
  17. ↑ R. H. Vogel, S. W. Provencher et al.: Envelope structure of Semliki Forest virus reconstructed from cryo-electron micrographs. Nature (1986) 320(6062): S. 533-535 PMID 3960136
  18. ↑ C. H. von Bonsdorff, R. Pettersson: Surface structure of Uukuniemi virus. J. Virology (1975) 16(5): S. 1296-1307 PMID 52726
  19. ↑ D. Falke, R. Siegert und W. Vogell: Elektronenmikroskopische Befunde zur Frage der Doppelmembranbildung des Herpes-simplex-Virus. Arch Gesamte Virusforschung (1959) 9: S. 484-496 PMID 13821428
  20. ↑ I. L. van Genderen, R. Brandimarti et al.: The phospholipid composition of extracellular herpes simplex virions differs from that of host cell nuclei. Virology (1994) 200(2): S. 831-836 PMID 8178468
  21. ↑ R. A. Crowther, N. A. Kiselev et al.: Three-dimensional structure of hepatitis B virus core particles determined by electron cryomicroscopy. Cell (1994) 77(6): S. 943-950 PMID 8004680

Aktuelle Literatur

  • Stephen C. Harrison: Principles of Virus Structure. In: David M. Knipe, Peter M. Howley et al. (eds.): Fields´ Virology 4. Auflage, Philadelphia 2001, S. 53-85
  • John A. T. Young: Virus Entry and Uncoating. In: Fields´ Virology
  • S. J. Flint, L. W. Enquist, V. R. Racaniello und A. M. Skalka : Principles of Virology. Molecular Biology, Pathogenesis, and Control of Animal Viruses. 2. Auflage, ASM-Press Washington D.C. 2004 ISBN 1-55581-259-7
  • Joe Bentz (ed.): Viral Fusion Mechanisms, CRC-Press Boca Raton 1993 ISBN 0-8493-5606-7
  • Robert Brasseur (ed.): Molecular Description of Biological Membranes by Computer Aided Conformational Analysis. Vol. 1, CRC-Press Boston 1990 ISBN 0-8493-6375-6

Historische Literatur

  • Wolfhard Weidel: Virus − Die Geschichte vom geborgten Leben. Berlin, Göttingen, Heidelberg 1957
  • Frank Fenner, B. R. McAuslan et al. (eds.): The Biology of Animal Viruses. Academic Press New York, London, 1. Auflage 1968, 2. Auflage 1974 ISBN 0-12-253040-3
  • Alena Lengerová: Membrane Antigens. Jena (Fischer) 1977


Abgerufen von „https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Virushülle&oldid=37059205“