Viren, Viroide und Prionen

Nennen Sie drei Gründe, warum Viren nach den klassischen Kriterien (zelluläre Organisation, Stoffwechsel und Fortpflanzung) nicht als Lebewesen gelten, und einen Grund, warum die Debatte weiterhin offen ist.

Beschreiben Sie den grundlegenden Aufbau eines Virus (Genom, Kapsid und bei manchen eine Hülle) und erklären Sie den Unterschied zwischen einem unbehüllten und einem behüllten Virus, jeweils mit einem Beispiel.

Unterscheiden Sie Viren mit DNA-Genom von solchen mit RNA-Genom und nennen Sie für jeden Typ ein Beispiel für eine verursachte Krankheit (Herpes oder Pocken gegenüber Grippe, Masern oder COVID-19); geben Sie an, was das für ihre Variabilität bedeutet.

Betrachten Sie den Aufbau des Virus auf der Abbildung. a) Erklären Sie die Funktion der Strukturen 1, 2 und 4 bei der Infektion einer Zelle. b) Begründen Sie, warum Struktur 3 diesen Virustyp besonders empfindlich gegenüber Seife und alkoholischen Lösungen macht. c) Kann man allein anhand der Abbildung erkennen, ob sein Genom aus DNA oder RNA besteht? Begründen Sie Ihre Antwort.

Erklären Sie, was die Wirtsspezifität eines Virus ist (warum infiziert uns das Tabakmosaikvirus nicht?) und welche Barrieren ein Virus überwinden muss, um eine andere Art zu infizieren (Rezeptoren, zelluläre Maschinerie).

Erklären Sie, was ein Bakteriophage ist, beschreiben Sie seinen Aufbau (Kopf mit dem Genom, Schwanz und Anheftungsfasern) und geben Sie an, was seine „Beute“ ist und warum jeder Phage nur bestimmte Bakterien infiziert.

Beschreiben Sie den lytischen und den lysogenen Zyklus eines Bakteriophagen, geben Sie an, worin sie sich unterscheiden und welche Folge es für das Bakterium hat, dass der Phage in die Latenz eintritt.

Ordnen Sie die Phasen des Replikationszyklus eines Virus (Adsorption, Penetration, Replikation und Synthese, Zusammenbau, Freisetzung) und beschreiben Sie sie; geben Sie an, bei welchen Schritten antivirale Medikamente wirken können (Blockade des Eintritts, Hemmung der Polymerase oder der Protease).

Was sind Viroide und was sind Prionen? Geben Sie an, welche Organismen die Viroide infizieren, und nennen Sie eine durch Prionen verursachte Erkrankung bei Mensch oder Tier.

Ein Forschungsteam versucht, die Natur des Erregers einer neuen spongiformen Enzephalopathie zu bestimmen. Dazu werden Proben von infektiösem Hirngewebe verschiedenen Behandlungen unterzogen, bevor sie gesunden Labormäusen injiziert werden:

• Behandlung 1: Vollständiger Verdau mit DNasen und RNasen $\rightarrow$ $100\,\%$ der Mäuse erkranken.

• Behandlung 2: UV-Bestrahlung in einer für Nukleinsäuren letalen Dosis $\rightarrow$ $100\,\%$ der Mäuse erkranken.

• Behandlung 3: Autoklavieren bei $121\text{ }^\circ\text{C}$ für $20\text{ Minuten}$ $\rightarrow$ $100\,\%$ der Mäuse erkranken.

• Behandlung 4: Langes Kochen in Natriumhydroxid ($1\text{ M}$) oder Verdau mit starken Proteasen $\rightarrow$ Keine Maus erkrankt.

• Behandlung 5: Die unbehandelte infektiöse Probe wird Knock-out-Mäusen injiziert, bei denen das Gen $PRNP$ ausgeschaltet wurde (sie exprimieren das normale Zellprotein $\text{PrP}^\text{C}$ nicht) $\rightarrow$ Keine Maus entwickelt die Krankheit oder vermehrt den Erreger.

1. a) Interpretieren Sie die Ergebnisse der Behandlungen 1, 2 und 4: Leiten Sie die biochemische Natur des Erregers ab und begründen Sie, warum seine Entdeckung scheinbar gegen das zentrale Dogma der Molekularbiologie verstieß.
2. b) Erklären Sie auf Strukturebene (Sekundärstruktur und Aggregation), warum Behandlung 3 scheiterte, Behandlung 4 aber die Infektiosität neutralisieren konnte.
3. c) Leiten Sie aus Behandlung 5 den Mechanismus ab, durch den dieser Erreger sich in einem gesunden Wirt „vermehrt“, und erklären Sie, warum Mäuse ohne das Gen $PRNP$ immun sind.

Das Kartoffelspindelknollenviroid (PSTVd) besteht aus einem einzigen zirkulären einzelsträngigen RNA-Molekül mit 359 Nukleotiden. Die Sequenzanalyse zeigt, dass ihm sowohl Startcodons AUG als auch jeder offene Leserahmen (ORF) vollständig fehlen, sodass es kein Protein synthetisiert.

1. a) Wenn man PSTVd in einem Reagenzglas mit Ribosomen und Translationsfaktoren inkubiert, wird kein Peptid synthetisiert. Wird es jedoch in Zellkerne von Kartoffelzellen eingebracht, vermehrt sich das Viroid stark. Begründen Sie, wie es einer nicht codierenden Nukleinsäure gelingt, sich in der Pflanzenzelle zu vermehren, und leiten Sie ab, welches Enzym im Zellkern der Pflanze dafür vereinnahmt wird.
2. b) Wenn das Viroid weder Toxine noch Kapsidproteine bildet, wie verursacht es dann Nekrosen und schwere Missbildungen in der Pflanze? Erklären Sie den pathogenen Mechanismus auf molekularer Ebene anhand der zellulären Verarbeitung fremder RNA durch Enzyme vom Typ Dicer und den RNA-Interferenz-Weg (siRNA).
3. c) Bestimmte Viroide besitzen Domänen mit Ribozymaktivität, die ihre eigene Spaltung und Ligation während der Replikation katalysieren können. Begründen Sie, warum Viroide als Kandidaten für „molekulare Fossilien“ der Anfänge der Entstehung des zellulären Lebens gelten.

Nennen Sie drei Übertragungswege von Viren (respiratorisch, fäkal-oral, sexuell oder über Blut, durch Vektoren wie Mücken) mit je einem Krankheitsbeispiel und geben Sie für jeden Weg eine spezifische Präventionsmaßnahme an.

Das Grippevirus verändert sich auf zwei Arten. Unterscheiden Sie die Antigendrift (jährliche Punktmutationen) vom Antigenshift (Rekombination zwischen Viren, Ursprung der Pandemien) und begründen Sie, warum die Vogel- und die Schweinegrippe als mögliche Quellen neuer pandemischer Viren überwacht werden.

Der Ansatz „Eine Gesundheit“ (One Health) versteht die Gesundheit von Mensch, Tier und Umwelt als ein einziges, vernetztes System. Erklären Sie ihn anhand viraler Zoonosen: Nennen Sie zwei Beispiele (Tollwut, Vogelgrippe oder COVID-19) und begründen Sie, wie Entwaldung, intensive Tierhaltung und Wildtierhandel den Sprung eines Virus von einer Tierart auf den Menschen begünstigen.

Bei einem Ausbruch eines neuen Atemwegsvirus wird eine Basisreproduktionszahl $R_0 = 2,5$ geschätzt.

1. a) Die Gesundheitsbehörden erwägen zwei alternative Szenarien: nicht-pharmazeutische Eindämmungsmaßnahmen anzuwenden (Masken und Lüften, die die Ansteckungswahrscheinlichkeit pro Kontakt um $40\,\%$ senken) oder sich ausschließlich auf einen Impfstoff mit einer Wirksamkeit von $80\,\%$ zu verlassen, der bei $60\,\%$ der Bevölkerung angewendet wird. Sagen Sie quantitativ voraus, welche der beiden Strategien allein die Ausbreitung des Ausbruchs stoppen kann (sodass die effektive Reproduktionszahl $R_t$ kleiner als $1$ wird), und begründen Sie Ihre Berechnungen.
2. b) Ein Vertreter der Politik behauptet: „Wenn wir $50\,\%$ der Bevölkerung mit einem zu $100\,\%$ wirksamen Impfstoff impfen, wird das Virus sofort verschwinden, weil die Hälfte der Bevölkerung nicht mehr ansteckt.“ Widerlegen Sie diese Aussage quantitativ und biologisch, indem Sie den resultierenden Wert von $R_t$ berechnen und beschreiben, was kurzfristig mit der Infektionskurve geschehen wird.

Was ist ein Impfstoff und wie „trainiert“ er das Immunsystem, ohne die Krankheit auszulösen? Nennen Sie zwei Impfstofftypen (Lebendimpfstoffe, Totimpfstoffe, Untereinheiten-Impfstoffe, mRNA-Impfstoffe) und erklären Sie, worin sie sich unterscheiden.

mRNA-Impfstoffe kamen mit COVID-19 erstmals massenhaft zum Einsatz. Erklären Sie, wie sie funktionieren (vorübergehende Anweisung, damit unsere Zellen das Antigen herstellen), welchen Vorteil sie bei der Geschwindigkeit der Entwicklung bieten und warum es falsch ist, dass sie unsere DNA verändern könnten (wo wirkt die mRNA und welche Halbwertszeit hat sie?).

Das humane Papillomvirus (HPV) kann Gebärmutterhalskrebs und andere Tumoren verursachen. Erklären Sie, wie ein Virus Krebs begünstigen kann (Störung der Kontrolle des Zellzyklus durch seine Proteine), warum es Jahre dauert, bis er auftritt, und warum die Impfung von Jugendlichen – Jungen und Mädchen – eine Impfung gegen Krebs ist.

HIV infiziert CD4-T-Lymphozyten. Erklären Sie, warum die Zerstörung dieser Zellen das gesamte Immunsystem aus dem Gleichgewicht bringt, was AIDS ist (das Endstadium ohne Behandlung) und warum antiretrovirale Medikamente die Infektion zu einer kontrollierten chronischen Erkrankung machen, sie aber nicht heilen (Reservoire latenter Viren).

In einem Labor werden zwei neu auftretende Viren analysiert, die menschliche Lymphozyten infizieren: das Virus Alpha (mit doppelsträngigem DNA-Genom von $150\text{ kb}$) und das Virus Beta (mit einzelsträngigem RNA-Genom von $15\text{ kb}$). Aus Patienten werden nach sechs Monaten Infektion Viruspartikel isoliert:

• Bei Alpha weist die Sequenz des Gens des Adhäsions-Glykoproteins im Vergleich zum inokulierten Stamm eine mittlere Divergenz von $0,001\,\%$ auf.

• Bei Beta beträgt die Divergenz im homologen Protein $4,2\,\%$, wobei in einem einzelnen Wirt eine breite Wolke von Varianten gefunden wird.

1. a) Begründen Sie auf molekularer und enzymatischer Ebene die Ursache dieses enormen Unterschieds in den beobachteten Mutationsraten der beiden Viren.
2. b) Zur Bekämpfung beider Erreger werden ein Protein-Untereinheiten-Impfstoff auf der Basis einer einzigen Variante des Adhäsionsproteins und ein Hemmstoff dieses Proteins erprobt. Sagen Sie begründet die Wirksamkeitsprognose dieser Strategien auf mittlere Sicht bei Alpha und bei Beta voraus.
3. c) Welches virale Ziel oder welche pharmakologische Strategie würden Sie für das Virus Beta vorschlagen, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass es resistente Varianten entwickelt?

Das Masernvirus gehört zu den ansteckendsten bekannten Krankheitserregern, mit $R_0 \approx 15$. In einer Bevölkerung von $300.000$ Einwohnern steht ein Impfstoff zur Verfügung, dessen Wirksamkeit gegen eine Infektion $95\,\%$ beträgt.

1. a) Leiten Sie aus der Bedingung für die Eindämmung einer Epidemie ($R_t < 1$) die Formel für die Herdenimmunitätsschwelle ($H_c = 1 - 1/R_0$) her und berechnen Sie den tatsächlich mindestens erforderlichen Anteil der Bevölkerung, der geimpft werden muss, um unter Berücksichtigung der Wirksamkeit des Impfstoffs den Kollektivschutz zu gewährleisten.
2. b) Nach einer Desinformationskampagne sinkt die Impfquote in dieser Gemeinde auf $88\,\%$. Wenn ein Indexfall in die Gemeinde gelangt, sagen Sie quantitativ voraus, ob der Ausbruch erlischt oder zur Epidemie wird, indem Sie den Wert der effektiven Reproduktionszahl ($R_t$) berechnen.
3. c) In dieser Bevölkerung leben 600 Personen, die aus medizinischen Gründen (Immunschwäche oder schwere Allergien) nicht geimpft werden können. Begründen Sie biologisch das Konzept der „Impfung als solidarische Handlung“ und veranschaulichen Sie, welchen Unterschied diese gefährdete Gruppe erfährt, wenn die Impfquote der gesunden Bevölkerung $98\,\%$ beträgt, im Vergleich zu $88\,\%$.

Sie sind Teil eines epidemiologischen Expertengremiums, das die biologische Machbarkeit der Ausrottung von drei Viren bewerten soll:

• Virus A (Tollwutvirus): RNA-Virus; Letalität nahe $100\,\%$; infiziert viele wild lebende Säugetiere (Fledermäuse, Füchse) und Haustiere; es gibt einen sehr wirksamen Totimpfstoff.

• Virus B (Poliovirus Typ 1): RNA-Virus; ausschließlich menschliches Reservoir; zwischen $90\,\%$ und $95\,\%$ der Infizierten sind völlig symptomlos, scheiden aber wochenlang vermehrungsfähige Viruspartikel im Stuhl aus; es gibt wirksame Schluck- und inaktivierte Impfstoffe.

• Virus C (Masernvirus): RNA-Virus; ausschließlich menschliches Reservoir; praktisch $100\,\%$ der Infizierten entwickeln das typische voll ausgeprägte Krankheitsbild (Fieber, Exanthem), ohne dass symptomlose Fälle das Virus übertragen; $R_0 \approx 12\text{-}18$; es gibt einen wirksamen Lebendimpfstoff.

1. a) Begründen Sie anhand des Konzepts des natürlichen Reservoirs, warum Virus A global biologisch nicht ausrottbar ist, anders als es bei den Pocken des Menschen gelungen ist.
2. b) Vergleichen Sie die epidemiologischen Schwierigkeiten von Virus B und Virus C: Welches von beiden stellt ein größeres Hindernis für die frühzeitige Erkennung und Isolierung von Übertragungsketten dar? Begründen Sie Ihre Antwort.
3. c) Entwerfen Sie ein nicht invasives Überwachungsverfahren, mit dem sich die aktive Zirkulation von Virus B in einer Stadt nachweisen lässt, ohne bei der gesamten Bevölkerung einzelne klinische Proben zu entnehmen.

In einer Region mit tropischem Regenwald werden $60.000\text{ Hektar}$ Primärwald gerodet, um Monokulturen und intensive Schweinemastbetriebe anzulegen. Zwei Jahre später tritt bei Arbeitern der Farmen ein Ausbruch eines akuten Atemwegssyndroms und einer Enzephalitis auf, verursacht durch ein neues RNA-Virus, das mit Erregern aus Fledertieren verwandt ist.

1. a) Formulieren Sie eine ökologische Hypothese, die die Übertragungskette des zoonotischen Sprungs (Spillover) beschreibt, und erklären Sie dabei die Rolle der Störung des Ökosystems, der Fledermaus als wildes Reservoir und der Schweine als Verstärkerwirt.
2. b) Die biologische Probennahme zeigt, dass in den Fragmenten des geschädigten Waldes die Artenvielfalt der Fledertiere um $65\,\%$ gesunken ist, die Dichte einer opportunistischen Art, die Reservoir des Virus ist, sich aber verdreifacht hat. Setzen Sie dieses Muster in Beziehung zum ökologischen Konzept des „Verdünnungseffekts“ und argumentieren Sie, warum der Verlust an Biodiversität das Zoonoserisiko erhöht.
3. c) Entwerfen Sie aus der interdisziplinären One-Health-Perspektive („Eine Gesundheit“) zwei Präventionsmaßnahmen im Umweltbereich oder im landwirtschaftlichen Management, die künftige Ereignisse des Auftretens neuer Viren in dieser Region verhindern.

Ein unbehandelter Patient mit HIV-Infektion hat eine Viruslast mit einer täglichen Produktion von $10^9$ Viren. Die Reverse Transkriptase des Virus besitzt keine Korrekturleseaktivität und macht $1$ Fehler pro $10^4$ Nukleotide (die Größe ihres Genoms beträgt etwa $10^4$ Basen).

1. a) Es wird geschätzt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Viruspartikel zufällig eine Mutation erwirbt, die Resistenz gegen Medikament A verleiht, $10^{-5}$ beträgt, gegen Medikament B $10^{-5}$ und gegen Medikament C $10^{-6}$ (unabhängige Mutationen):

• Berechnen Sie, wie viele gegen Medikament A resistente Viren in diesem Patienten pro Tag entstehen, und sagen Sie voraus, was mit der Viruslast geschieht, wenn er ausschließlich mit Medikament A als Monotherapie behandelt wird.

• Berechnen Sie die theoretische Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelnes Virus gleichzeitig Resistenz gegen die Medikamente A, B und C gemeinsam erwirbt. Begründen Sie anhand dieses Wertes den therapeutischen Erfolg der antiretroviralen Kombinationstherapie (HAART bzw. Dreifachtherapie).

1. b) Wenn der Patient die Dreifachtherapie zwar durchführt, die Dosen aber unregelmäßig auslässt (häufiges Vergessen), sagen Sie die evolutiven Folgen für die Vielfalt der Quasispezies des Virus voraus und erklären Sie, warum dieses Verhalten zum multiresistenten Therapieversagen führt.
2. c) Warum haben das Vorhandensein von Quasispezies und die hohe Mutationsrate die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs gegen HIV verhindert, während es sterilisierende und lang anhaltende Impfstoffe gegen Viren mit stabilem Genom wie Pocken oder Mumps gibt?

Herausforderung des Themas. Stellen Sie sich vor, Sie beraten das Ministerium für Gesundheit und Landwirtschaft. Ihre Aufgabe ist es, die Bedrohung durch azelluläre Formen in Ihrem Umfeld zu bewerten und einen technischen Leitfaden zur Biosicherheit zu entwerfen.

1. Beschaffung realer Daten: Greifen Sie auf die Veröffentlichungen des Robert Koch-Instituts (RKI) oder des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) zu. Erfassen Sie die aktuelle Inzidenz oder Prävalenz einer Viruserkrankung (zum Beispiel Grippe mit einer Rate von $18,4$ Fällen pro $100.000$ Einwohner), eines pflanzlichen Viroids (etwa des Tomatenkümmerwuchs-Viroids) und einer Prionenerkrankung bei Nutztieren.

2. Vergleichende Analyse: Erstellen Sie eine Tabelle, in der Sie die drei Erreger nach ihrer Zusammensetzung ($RNA$, $DNA$ oder Proteinisoform $PrP^{Sc}$), dem Vorhandensein oder Fehlen von Kapsid/Hülle und der ungefähren Größe in Nanometern ($nm$) gegenüberstellen.

3. Begründetes Gutachten: Verfassen Sie einen Maßnahmenvorschlag ($1$ Seite), in dem Sie erklären, welche physikalischen oder chemischen Behandlungen (Autoklav, UV-Strahlung, Bleichlauge) gegen den jeweiligen Erreger wirksam sind, und begründen Sie, warum sich die Resistenz eines Prions oder eines Viroids drastisch von der eines Virus mit Lipidhülle unterscheidet.

Bewertet werden:

• Fachliche Genauigkeit bei der Unterscheidung von molekularer Struktur und Pathogenese von Viren, Viroiden und Prionen.

• Präzise Beschaffung und angemessene Quellenangabe epidemiologischer Daten aus offiziellen Quellen.

• Naturwissenschaftliche Stimmigkeit bei der physikalisch-chemischen Begründung der vorgeschlagenen Desinfektionsmethoden.