Mutagenese: wie entsteht eine Mutation?

Viren

Viren sind infektiöse Partikel, die sich in eukaryotischen Zellen vermehren. Viele von ihnen sind als Krankheitserreger bei Menschen, Tieren und Pflanzen medizinisch und ökonomisch von Bedeutung. Aehnlich wie Bakteriophagen in prokaryotischen Zellen sind Viren in eukaryotischen Zellen bedeutsame Modellsysteme für molekularbiologische Studien; einige von ihnen dienen zusätzlich als Vektoren für Gentransferexperimente in eukaryotischen Systemen. Wie die Bakteriophagen sind auch Viren zur Vermehrung auf eine lebende Wirtszelle angewiesen.


Strukturen

In Form, Grösse, Informationsgehalt des Genoms, Wirtspezifität etc. herrscht eine ungeheure Vielfalt. Wir werden deshalb im folgenden nur einige grundlegende Eigenschaften besprechen und dabei das eine oder andere Virus als Beispiel heranziehen (siehe Tabelle).

+ = positive Polarität; - = negative Polarität; ss = einzelsträngig (single-stranded); ds = doppelsträngig.


Viren bestehen in der Regel aus folgenden Komponenten:

Genom
Virale Genome können aus doppelsträngiger (ds) DNA, einzelsträngiger (ss) DNA, dsRNA oder RNA bestehen. Ihre Grössen variieren zwischen 10 hoch 3 (Parvovirus) bis mehr als 10 hoch 6 Nukleotide (Poxvirus). Genome können als lineare, zirkuläre oder fragmentierte Nukleinsäure-Moleküle vorliegen. Bei einzelsträngigen Nukleinsäuren kann der Strang mit positiver Polarität (gleiche Sequenz wie mRNA) oder der Strang mit negativer Polarität als Genom dienen; für eine bestimmte Virus-Art ist es aber stets derselbe Strang. Virale Genome kodieren für Strukturproteine des Virus und für Enzyme, die für die Genom-Replikation benötigt werden.

Capsid
Eine Proteinhülle, das Capsid, umgibt das virale Genom. Das Capsid ist aus Struktureinheiten, den Capsomeren, zusammengesetzt, die in der Regel aus einer grossen Zahl eines einzigen oder ein paar wenigen Typen von Proteinen bestehen. Oft sind die Capsomere, wie in der Abbildung dargestellt, als Icosaeder angeordnet (20 gleichseitige Dreiecke). Viele Viren, unter ihnen das Poliovirus (siehe Tabelle), bestehen nur aus Genom und Capsid.

Membran
Sie ist, wie vorher angedeutet, nicht bei allen Viren vorhanden. Die Membran stammt von der Wirtszelle und wird vom Virus beim Austritt aus der Zelle mitgenommen (siehe unten). Sie enthält in der Regel vom Wirtsgenom kodierte und eventuell zusätzlich virus-kodierte Proteine. Beispiele von Viren mit einer Membran sind (in der Tabelle) Influenzavirus und die Retroviren.


Einteilung der Viren
Viren werden aufgrund ihrer Morphologie und der Grösse und Art ihres Genoms klassifiziert.


Vermehrung

Eintritt in die Zelle:

Viren adsorbieren an spezifische Oberflächen-Moleküle der Wirtszelle. Es ist somit die Oberflä-chenstruktur einer Zelle, die mitentscheidet, ob eine Infektion mit einem bestimmten Virus möglich ist. Die Aufnahme eines adsorbierten Virus in die Zelle geschieht dann via Endocytose. Der Inhalt des infizierenden Virus wird darauf in der Zelle entlassen.

Expression und Replikation des viralen Genoms:

Die meisten Viren, die dsDNA als Genom besitzen, replizieren und transkribieren die DNA im Zellkern der Wirtszelle mit Hilfe wirts-spezifischer Enzyme. Eine Ausnahme bildet das Poxvirus, das sich im Cytoplasma vermehrt und alle Enzyme für Replikation und Transkription mitbringt.

Viren mit RNA-Genomen von positiver Polarität (z.B. Polioviren) können direkt mit der Proteinsynthese im Cytoplasma beginnen, da ihr Genom als mRNA dienen kann. Sie replizieren ihr RNA-Genom mit Hilfe einer virus-spezifischen Replicase, welche zuerst eine RNA-Kopie mit negativer Polarität synthetisiert und diese anschliessend in RNA-Genome mit positiver Polarität kopiert. Alle diese Vorgänge finden im Cytoplasma statt.

Viren mit RNA-Genomen von negativer Polarität (z.B. Influenzavirus) oder dsRNA (z.B. Reovirus) benötigen eine RNA-abhängige RNA-Polymerase für Transkription und Replikation und müssen diese, da die Wirtszellen kein solches Enzym besitzen, im Viruspartikel mit in die Zelle bringen.

Retroviren haben einen besonders interessanten Mechanismus der Replikation und Transkription entwickelt. Sie überschreiben ihr RNA-Genom mit positiver Polarität mittels einer virus-kodierten Reversetranskriptase in dsDNA. Diese dsDNA-Kopie des viralen Genoms wird in die Wirtszell-DNA integriert und dort wie zelleigene Gene von wirts-spezifischen Enzymen transkribiert.


Synthese der viralen Proteine

Allen Viren ist gemeinsam, dass sie zur Uebersetzung ihrer mRNA vollständig auf den Protein-syntheseapparat der Wirtszelle angewiesen sind. Diese Synthese findet daher immer im Cytoplasma statt. Der darauffolgende Zusammenbau der Komponenten zum intakten Nachkommenvirus findet, je nach Virusart, im Cytoplasma oder im Zellkern statt.

Freisetzung der Viren

Nachkommenviren können am Ort des Zusammenbaus riesige intrazelluläre Aggregate bilden, welche nach dem Absterben und Lysieren der Wirtszelle freigesetzt werden. Gewisse Viren (z.B. Influenzavirus) synthetisieren virus-spezifische Membranproteine, welche in die Plasmamembran der Wirtszelle integrieren und später das Capsid binden. Das Nachkommenvirus tritt dann durch die Membran aus, wobei es ein Stück dieser Membran mitnimmt:

Desaminierungen und Depurinierungen

Dass salpetrige Säure die Struktur von Basen ändern kann, wurde schon oben gezeigt. Diese Desaminierung kann aber auch spontan ablaufen, genauso wie die hydrolytische Spaltung der Zucker-Base-Bindung von Purinen (Depurinierung):

Benachbarte Pyrimidin-Basen (T-T, T-C, C-C) werden durch ultraviolette Strahlung zu kovalent gebundenen Pyrimidin-Dimeren verbunden, wie hier am Beispiel des Thymin-Dimers zu sehen ist:

Tautomerien

Die in der DNA vorkommenden Basen tragen unter anderem Amino- und Ketogruppen. Sie können aber in seltenen Fällen intramolekulare Umlagerungsreaktionen erfahren und in der Imino- oder Enolform vorliegen. In diesem Fall ändern sich die Paarungseigenschaften: So paart z.B. Cytosin nicht mehr mit Guanin, sondern mit Adenin!