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5.4: Prionen und Viroide - Biologie

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Prionen

Prionen, so genannt, weil sie proteinhaltig sind, sind infektiöse Partikel – kleiner als Viren –, die keine Nukleinsäuren (weder DNA noch RNA) enthalten. Historisch galt die Idee eines Infektionserregers ohne Nukleinsäuren als unmöglich, aber die Pionierarbeit des Nobelpreisträgers Stanley Prusiner hat die Mehrheit der Biologen davon überzeugt, dass solche Erreger tatsächlich existieren.

Es wurde gezeigt, dass tödliche neurodegenerative Erkrankungen, wie Kuru beim Menschen und bovine spongiforme Enzephalopathie (BSE) bei Rindern (allgemein bekannt als „Rinderwahn“), durch Prionen übertragen werden. Die Krankheit wurde durch den Verzehr von Fleisch, Nervengewebe oder inneren Organen zwischen Mitgliedern derselben Art übertragen. Kuru, ursprünglich von Menschen in Papua-Neuguinea beheimatet, wurde durch rituellen Kannibalismus von Mensch zu Mensch verbreitet. BSE, das ursprünglich im Vereinigten Königreich entdeckt wurde, wurde zwischen Rindern übertragen, indem Rindernervengewebe in Futtermittel für andere Rinder aufgenommen wurde. Personen mit Kuru und BSE zeigen Symptome eines Verlusts der motorischen Kontrolle und ungewöhnlicher Verhaltensweisen, wie z. B. unkontrolliertes Gelächter mit Kuru, gefolgt vom Tod. Kuru wurde kontrolliert, indem die Bevölkerung dazu gebracht wurde, ihren rituellen Kannibalismus aufzugeben.

Andererseits dachte man zunächst, dass BSE nur Rinder befällt. Es wurde gezeigt, dass Rinder, die an der Krankheit starben, Läsionen oder „Löcher“ im Gehirn entwickelten, wodurch das Gehirngewebe einem Schwamm ähnelte. Später im Ausbruch wurde jedoch gezeigt, dass eine ähnliche Enzephalopathie beim Menschen, die als Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJK) bekannt ist, durch den Verzehr von Rindfleisch von Tieren mit BSE erworben werden konnte, was zu Einfuhrverboten von britischem Rindfleisch in verschiedenen Ländern führte und der britischen Rindfleischindustrie erheblichen wirtschaftlichen Schaden zufügen (Abbildung 1). BSE existiert immer noch in verschiedenen Bereichen, und obwohl CJK eine seltene Krankheit ist, ist sie schwer zu behandeln. Die Krankheit kann durch Blut von Mensch zu Mensch übertragen werden, daher haben viele Länder Blutspenden aus Regionen verboten, die mit BSE in Verbindung stehen.

Die Ursache von spongiformen Enzephalopathien wie Kuru und BSE ist eine infektiöse Strukturvariante eines normalen zellulären Proteins namens PrP (Prion Protein). Diese Variante bildet das Prionenteilchen. PrP existiert in zwei Formen, PrPC, die normale Form des Proteins, und PrPSC, die infektiöse Form. Einmal in den Körper eingeführt, wird das PrPSC im Prion enthalten, bindet an PrPC und wandelt es in PrP . umSC. Dies führt zu einem exponentiellen Anstieg des PrPSC Protein, das aggregiert. PrPSC ist abnormal gefaltet, und die resultierende Konformation (Form) ist direkt für die im Gehirn infizierter Rinder beobachteten Läsionen verantwortlich. Obwohl unter Wissenschaftlern nicht vollständig akzeptiert, scheint das Prion daher wahrscheinlich eine völlig neue Form von Infektionserregern zu sein, die erste gefundene, deren Übertragung nicht von Genen abhängig ist, die aus DNA oder RNA bestehen.

Viroide

Viroide sind Pflanzenpathogene: kleine, einzelsträngige, zirkuläre RNA-Partikel, die viel einfacher sind als ein Virus. Sie haben weder ein Kapsid noch eine äußere Hülle, sondern können sich wie Viren nur innerhalb einer Wirtszelle vermehren. Viroide produzieren jedoch keine Proteine, sondern nur ein einziges, spezifisches RNA-Molekül. Menschliche Krankheiten, die durch Viroide verursacht werden, müssen noch identifiziert werden.

Es ist bekannt, dass Viroide Pflanzen infizieren und jedes Jahr für Ernteausfälle und den Verlust von Millionen von Dollar an landwirtschaftlichen Einnahmen verantwortlich sind. Einige der Pflanzen, die sie infizieren, sind Kartoffeln, Gurken, Tomaten, Chrysanthemen, Avocados und Kokospalmen. Zum Beispiel kann das Kartoffelspindelknollenviroid (PSTVd), das sich typischerweise ausbreitet, wenn infizierte Messer gesunde Kartoffeln zur Vorbereitung zum Pflanzen schneiden, Kartoffeln und Tomaten befallen. Die Symptome von PSTVd ​​sind in Abbildung 2 zu sehen.

Lernziele

Prionen sind Infektionserreger, die aus Protein, aber keiner DNA oder RNA bestehen und ihre tödlichen Wirkungen zu entfalten scheinen, indem sie ihre Formen duplizieren und sich im Gewebe anreichern. Es wird angenommen, dass sie zu mehreren fortschreitenden Gehirnerkrankungen beitragen, darunter Rinderwahnsinn und Creutzfeldt-Jakob-Krankheit. Viroide sind einzelsträngige RNA-Erreger, die Pflanzen infizieren. Ihre Anwesenheit kann schwerwiegende Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben.


5.4: Prionen und Viroide - Biologie

Zu Beginn dieses Kapitels haben wir die Zelltheorie diskutiert und festgestellt, dass Viren nicht der Definition von Lebewesen entsprechen, weil sie azellulär sind. Viren können so klein wie 20 nm oder so groß wie 300 nm sein. Als Referenz sind Prokaryoten 1–10 &Mikrom, und Eukaryoten sind etwa zehnmal größer. Im Gegensatz zu eukaryotischen Zellen fehlen Viren Organellen und ein Zellkern.

Viren bestehen aus genetischem Material, einer Proteinhülle und manchmal einer Hülle mit Lipiden. Die genetische Information kann zirkulär oder linear, einzel- oder doppelsträngig sein und entweder aus DNA oder RNA bestehen. Die Proteinhülle ist als a . bekannt Kapsid. Wenn eine Hülle vorhanden ist, umgibt sie das Kapsid und besteht aus Phospholipiden und virusspezifischen Proteinen. Die Hülle ist sehr empfindlich gegenüber Hitze, Detergenzien und Austrocknung, daher sind behüllte Viren leichter abzutöten. Auf der anderen Seite sind Viren, die keine Hülle haben, resistenter gegen Sterilisation und bleiben wahrscheinlich über einen längeren Zeitraum auf Oberflächen bestehen.

Da sich Viren nicht unabhängig vermehren können, gelten sie als obligate intrazelluläre Parasiten. Viren müssen genetische Informationen innerhalb eines Zeitraums exprimieren und replizieren Wirtszelle weil ihnen Ribosomen fehlen, um die Proteinsynthese durchzuführen. Nach der Entführung der Maschinerie einer Zelle repliziert sich ein Virus und produziert virale Nachkommen, genannt Virionen, die freigesetzt werden kann, um weitere Zellen zu infizieren.

Bakteriophagen sind Viren, die gezielt auf Bakterien abzielen. Sie dringen nicht in Bakterien ein, sondern injizieren einfach ihr Erbgut und lassen die restlichen Strukturen außerhalb der infizierten Zelle. Bakteriophagen enthalten neben einem Kapsid eine Schwanzscheide und Schwanzfasern, wie in Abbildung 1.15 dargestellt. Die Schwanzscheide kann wie eine Spritze wirken und genetisches Material in ein Bakterium injizieren. Die Schwanzfasern helfen dem Bakteriophagen, die richtige Wirtszelle zu erkennen und sich mit ihr zu verbinden.

Abbildung 1.15. Struktur eines Bakteriophagen

Virale Genome gibt es in einer Vielzahl von Formen und Größen. Manche bestehen nur aus wenigen Genen, andere aus mehreren Hundert. Außerdem können virale Genome entweder aus DNA oder RNA bestehen und können in beiden Fällen einzel- oder doppelsträngig sein.

Einzelsträngige RNA-Viren können positiver oder negativer Sinn sein. Positives Gefühl impliziert, dass das Genom wie mRNA von den Ribosomen der Wirtszelle direkt in funktionelle Proteine ​​übersetzt werden kann. Negativ-Sinn RNA-Viren sind etwas komplizierter: Diese Viren benötigen die Synthese eines RNA-Strangs komplementär zum Negativ-Sense-RNA-Strang, der dann als Matrize für die Proteinsynthese verwendet werden kann. Negative-Sense-RNA-Viren müssen ein RNA-Replikase im Virion, um sicherzustellen, dass der komplementäre Strang synthetisiert wird.

Retroviren sind umhüllte, einzelsträngige RNA-Viren in der Familie Retroviridae normalerweise enthält das Virion zwei identische RNA-Moleküle. Diese Viren tragen ein Enzym namens umgekehrte Transkriptase, das DNA aus einzelsträngiger RNA synthetisiert. Die DNA integriert sich dann in das Genom der Wirtszelle, wo sie repliziert und transkribiert wird, als ob sie die eigene DNA der Wirtszelle wäre. Dies ist ein cleverer Mechanismus, denn die Integration des genetischen Materials in das Genom der Wirtszelle ermöglicht eine unbegrenzte Infektion der Zelle und die einzige Möglichkeit, die Infektion zu heilen, besteht darin, die infizierte Zelle selbst abzutöten. Das Humane Immunschwächevirus (HIV) ist ein Retrovirus, das diesen Lebenszyklus nutzt, was eine der Eigenschaften ist, die die Behandlung von HIV so schwierig machen, wie in Abbildung 1.16 gezeigt.

Abbildung 1.16. Lebenszyklus des Humanen Immunschwächevirus (HIV)

Sowohl Retroviren als auch Transduktion werden als Methoden der Gentherapie untersucht. Es wird vermutet, dass Retroviren und Transduktionsverfahren funktionelle Versionen von fehlenden oder veränderten Genen liefern können, so dass die richtigen Proteine ​​synthetisiert und bestimmte Krankheitszustände gelindert werden können. Gentherapie wird in Kapitel 6 von . diskutiert MCAT Biochemie Review.

Wie wir bereits besprochen haben, müssen Viren eine Wirtszelle infizieren und die Maschinerie der Wirtszelle nutzen, um sich zu vermehren. Hier werden wir den viralen Lebenszyklus im Detail besprechen.

Viren können nur eine bestimmte Gruppe von Zellen infizieren. Um eine Zelle zu infizieren, muss das Virus an spezifische Rezeptoren der Wirtszelle binden. Ohne die richtigen Rezeptoren ist eine Zelle für das Virus im Wesentlichen unsichtbar. Sobald das Virus den richtigen Rezeptor bindet, werden das Virus und die Zelle nahe genug aneinander gebracht, um zusätzliche Interaktionen zu ermöglichen. Behüllte Viren verschmelzen mit der Plasmamembran einer Zelle und ermöglichen so den Eintritt des Virions in die Wirtszelle. Manchmal kann eine Wirtszelle die Bindung eines Virus an die Membran als Nährstoffe oder andere nützliche Moleküle fehlinterpretieren und das Virus tatsächlich über Endozytose in das Zytoplasma bringen. Wie bereits erwähnt, verwenden Bakteriophagen Schwanzfasern, um sich an der Zellmembran zu verankern und dann ihr virales Genom mithilfe der Schwanzscheide in das Wirtsbakterium zu injizieren. Einige Schwanzfasern haben sogar eine enzymatische Aktivität, die sowohl das Eindringen in die Zellwand als auch die Bildung von Poren in der Zellmembran ermöglicht.

HIV muss an einen Rezeptor namens CCR5 auf weißen Blutkörperchen binden, um sie zu infizieren. Manchen Menschen fehlt dieser Rezeptor und sie sind somit immun gegen HIV. Kürzlich gab es einen Fall, bei dem ein HIV-positiver Mann mit Leukämie eine Knochenmarktransplantation von einem Spender erhielt, dem CCR5 fehlte. Nicht nur seine Leukämie wurde geheilt, sondern diese Transplantation führte auch zu einer Remission seiner HIV-Infektion, da die weißen Blutkörperchen aus seinem neu erworbenen Knochenmark nicht anfällig für eine HIV-Infektion waren.

Je nach Virus werden unterschiedliche Teile des Virions in Wirtszellen eingefügt. Behüllte Viren wie HIV verschmelzen mit der Membran und dringen intakt in die Zelle ein, während Bakteriophagen nur ihr genetisches Material einschleusen und ihre Kapside außerhalb der Wirtszelle lassen.

Übersetzung und Nachkommenschaft

Nach der Infektion muss die Translation des genetischen Materials des Virus erfolgen, damit sich das Virus vermehren kann. Dies erfordert die Translokation des genetischen Materials an die richtige Stelle in der Zelle. DNA-Viren müssen in den Zellkern gelangen, um in mRNA transkribiert zu werden. Die mRNA geht dann in das Zytoplasma, wo sie in Proteine ​​übersetzt wird. Das genetische Material von Positiv-Sense-RNA-Viren verbleibt im Zytoplasma, wo es von den Ribosomen der Wirtszelle direkt in Protein übersetzt wird. Negative-Sense-RNA-Viren benötigen die Synthese eines komplementären RNA-Strangs über RNA-Replicase, der dann in Proteine ​​übersetzt werden kann. Auch bei Retroviren durch reverse Transkription gebildete DNA wandert in den Zellkern, wo sie in das Wirtsgenom integriert werden kann.

Unter Verwendung der Ribosomen, tRNA, Aminosäuren und Enzyme der Wirtszelle wird die virale RNA in Protein übersetzt. Viele dieser Proteine ​​sind strukturelle Kapsidproteine ​​und ermöglichen die Bildung neuer Virionen im Zytoplasma der Wirtszelle. Sobald das virale Genom repliziert wurde, kann es in das Kapsid verpackt werden. Beachten Sie, dass das virale Genom vor dem Verpacken in seine ursprüngliche Form zurückversetzt werden muss. Retroviren müssen beispielsweise neue Kopien ihrer einzelsträngigen RNA von der DNA, die in das Wirtsgenom gelangt ist, transkribieren. Ein einzelnes Virus kann innerhalb einer einzelnen Wirtszelle Hunderte bis viele Tausende neuer Virionen erzeugen.

Nachkommen-Freigabe

Virale Nachkommen können auf verschiedene Weise freigesetzt werden. Erstens kann die virale Invasion den Zelltod einleiten, was zum Verschütten der viralen Nachkommen führt. Zweitens kann die Wirtszelle lysieren, da sie mit extrem vielen Virionen gefüllt ist. Die Lyse ist für das Virus eigentlich ein Nachteil, da das Virus die Zelle nicht mehr für seinen Lebenszyklus nutzen kann. Schließlich kann ein Virus die Zelle verlassen, indem es mit seiner Plasmamembran verschmilzt, wie in Abbildung 1.17 gezeigt, ein Vorgang, der als . bekannt ist Extrusion. Dieser Prozess ermöglicht das Überleben der Wirtszelle und die fortgesetzte Verwendung der Wirtszelle durch das Virus. Ein Virus in diesem Zustand soll sich in einem Produktivzyklus.

Abbildung 1.17. Virale Extrusion

Lytische und lysogene Zyklen

Abhängig von den Wachstumsbedingungen und dem spezifischen Virus können Bakteriophagen in einen lytischen oder lysogenen Lebenszyklus eintreten. Diese beiden Phasen ähneln den oben diskutierten Lyse- und Produktionszyklusverfahren zur Freisetzung von Nachkommen.

Während eines lytischer Zyklus, nutzt der Bakteriophage die Maschinerie der Zelle maximal aus, ohne Rücksicht auf das Überleben der Wirtszelle zu nehmen. Sobald der Wirt mit neuen Virionen angeschwollen ist, lysiert die Zelle und andere Bakterien können infiziert werden. Bakterien in der lytischen Phase werden als bezeichnet virulent.

Für den Fall, dass das Virus das Bakterium nicht lysiert, kann es als provirus oder prophage, beginn der lysogener Zyklus. In diesem Fall wird das Virus während der Vermehrung des Bakteriums repliziert, da es nun Teil des Genoms des Wirts ist. Obwohl das Virus auf unbestimmte Zeit in das Wirtsgenom integriert bleiben kann, führen Umweltfaktoren (Strahlung, Licht oder Chemikalien) dazu, dass das Provirus das Genom verlässt und irgendwann in einen lytischen Zyklus zurückkehrt. Wie bereits erwähnt, kann es zu einem Einfangen von Segmenten des Bakteriengenoms kommen, wenn das Provirus das Genom verlässt, was die Transduktion von Genen von einem Bakterium zu einem anderen ermöglicht. Obwohl Bakteriophagen ein Wirtsbakterium abtöten können, kann es von Vorteil sein, sie in den lysogenen Zyklus zu integrieren. Eine Infektion mit einem Phagenstamm macht das Bakterium im Allgemeinen weniger anfällig für Superinfektion (gleichzeitige Infektion) mit anderen Phagen. Da das Provirus relativ harmlos ist, kann diese Assoziation einen evolutionären Vorteil haben. Die lytischen und lysogenen Zyklen sind in Abbildung 1.18 gegenübergestellt.

Abbildung 1.18. Lytisch vs. Lysogene Zyklen von Bakteriophagen

Prionen und Viroide sind sehr kleine (subvirale) Partikel, die unter Umständen Krankheiten auslösen können.

Prionen sind infektiöse Proteine ​​und somit auch nicht lebende Dinge. Prionen verursachen Krankheiten, indem sie die Fehlfaltung anderer Proteine ​​auslösen, was normalerweise die Umwandlung eines Proteins aus einem &Alpha-helikale Struktur zu a &Beta-plissiertes Blatt. Dies verringert drastisch die Löslichkeit des Proteins sowie die Fähigkeit der Zelle, das fehlgefaltete Protein abzubauen. Schließlich bilden sich Proteinaggregate und die Funktion der Zelle wird eingeschränkt. Prionen verursachen bekanntermaßen bovine spongiforme Enzephalopathie (Rinderwahnsinn), Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, und familiäre tödliche Schlaflosigkeit in Menschen.

Viroide sind kleine Pflanzenpathogene, die aus einer sehr kurzen zirkulären einzelsträngigen RNA bestehen. Viroide können an eine große Anzahl von RNA-Sequenzen binden und werden Gene im Pflanzengenom zum Schweigen bringen. Dies verhindert die Synthese notwendiger Proteine ​​und kann in der Folge zu Stoffwechsel- und Strukturstörungen in der Pflanzenzelle führen. Viroide werden klassischerweise als Pflanzenpathogene angesehen, aber es gibt einige Beispiele für humane Viroide, darunter das Hepatitis-D-Virus (HDV). Alleine ist HDV unschädlich, jedoch kann HDV, wenn es mit dem Hepatitis-B-Virus (HBV) koinfiziert wird, seine Silencing-Funktion auf menschliche Hepatozyten ausüben.

MCAT-Konzeptcheck 1.5:

Bevor Sie fortfahren, bewerten Sie Ihr Verständnis des Materials mit diesen Fragen.

1. Warum gelten Viren als obligate intrazelluläre Parasiten?

2. Das Coronavirus, das die Erkältung verursacht, wird als umhülltes, einzelsträngiges Positiv-Sense-RNA-Virus beschrieben. Was sagt diese Beschreibung über das Virus aus?

3. Beschreiben Sie kurz den Weg retroviraler Nukleinsäuren von der Infektion einer Wirtszelle bis zur Freisetzung viraler Nachkommen:


Viroide

Abbildung 2. Diese Kartoffeln wurden mit dem Kartoffelspindelknollenviroid infiziert. (Kredit: Pamela Roberts, University of Florida Institute of Food and Agricultural Sciences, USDA ARS)

Viroide sind Pflanzenpathogene: kleine, einzelsträngige, zirkuläre RNA-Partikel, die viel einfacher sind als ein Virus. Sie haben weder ein Kapsid noch eine äußere Hülle, sondern können sich wie Viren nur innerhalb einer Wirtszelle vermehren. Viroide produzieren jedoch keine Proteine, sondern nur ein einziges, spezifisches RNA-Molekül. Menschliche Krankheiten, die durch Viroide verursacht werden, müssen noch identifiziert werden.

Es ist bekannt, dass Viroide Pflanzen infizieren und jedes Jahr für Ernteausfälle und den Verlust von Millionen von Dollar an landwirtschaftlichen Einnahmen verantwortlich sind. Einige der Pflanzen, die sie infizieren, sind Kartoffeln, Gurken, Tomaten, Chrysanthemen, Avocados und Kokospalmen. Zum Beispiel kann das Kartoffelspindelknollenviroid (PSTVd), das sich typischerweise ausbreitet, wenn infizierte Messer gesunde Kartoffeln zur Vorbereitung zum Pflanzen schneiden, Kartoffeln und Tomaten befallen. Die Symptome von PSTVd ​​sind in Abbildung 2 zu sehen.

Zusammenfassung: Prionen und Viroide

Prionen sind Infektionserreger, die aus Protein, aber keiner DNA oder RNA bestehen und ihre tödlichen Wirkungen zu entfalten scheinen, indem sie ihre Formen duplizieren und sich im Gewebe anreichern. Es wird angenommen, dass sie zu mehreren fortschreitenden Gehirnerkrankungen beitragen, darunter Rinderwahnsinn und Creutzfeldt-Jakob-Krankheit. Viroide sind einzelsträngige RNA-Erreger, die Pflanzen infizieren. Ihre Anwesenheit kann schwerwiegende Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben.


Hinweise zu Viroiden und Prionen

Viroide sind viel kleiner als Viren und auch wesentlich einfacher, denn sie bestehen nur aus einem einzigen RNA-Strang.

Die RNA ist in keine Struktur eingeschlossen und außer während der Infektion mit keinen anderen chemischen Substanzen assoziiert.

Das typische Viroid ist ein etwa 50 nm langes RNA-Molekül. Obwohl Viroide derzeit nur im Verdacht stehen, Erreger bestimmter Krankheiten in tierischen Zellen zu sein, sind sie als Ursache einer Reihe von Pflanzenkrankheiten bekannt, einschließlich der Spindelknollenkrankheit bei Kartoffeln.

Prionen:

Im Allgemeinen sind infektiöse Agenzien entweder Viroide, Viren, prokaryontische Zellen (z. B. Bakterien) oder eukaryontische Zellen (z. B. bestimmte Protisten). Was diese Infektionserreger gemeinsam haben, ist, dass ihre Identität durch die Nukleinsäure definiert wird, die jeder trägt. Obwohl es immer noch erhebliche Debatten zu diesem Thema gibt, scheint es jetzt, dass es eine Ausnahme von dieser Regel geben könnte.

Scrapie (eine Krankheit bei Ziegen und Schafen) und eine Krankheit des Nervensystems beim Menschen, die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit genannt wird, scheinen durch Erreger verursacht zu werden, die nur aus Protein bestehen. Die Erreger dieser Krankheiten werden Prionen genannt. Das ein Prion enthaltende Protein hat ein Molekulargewicht zwischen 50.000 und 100.000, was einer Partikelgröße entspricht, die 100-mal kleiner ist als die kleinster Viren.


108 andere azelluläre Wesen: Prionen und Viroide

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Beschreibe Prionen und ihre grundlegenden Eigenschaften
  • Definieren Sie Viroide und ihre Infektionsziele

Prionen und Viroide sind Krankheitserreger (Krankheitserreger), die einfacher aufgebaut sind als Viren, aber im Fall von Prionen tödliche Krankheiten hervorrufen können.

Prionen

Prionen, so genannt, weil sie proteinhaltig sind, sind infektiöse Partikel – kleiner als Viren –, die keine Nukleinsäuren (weder DNA noch RNA) enthalten. Historisch galt die Idee eines Infektionserregers ohne Nukleinsäuren als unmöglich, aber die Pionierarbeit des Nobelpreisträgers Stanley Prusiner hat die Mehrheit der Biologen davon überzeugt, dass solche Erreger tatsächlich existieren.

Es wurde gezeigt, dass tödliche neurodegenerative Erkrankungen wie Kuru beim Menschen und bovine spongiforme Enzephalopathie (BSE) bei Rindern (allgemein als „Rinderwahnsinn“ bekannt) durch Prionen übertragen werden. Die Krankheit wurde durch den Verzehr von Fleisch, Nervengewebe oder inneren Organen zwischen Mitgliedern derselben Art übertragen. Kuru, ursprünglich von Menschen in Papua-Neuguinea beheimatet, wurde durch rituellen Kannibalismus von Mensch zu Mensch verbreitet. BSE, das ursprünglich im Vereinigten Königreich entdeckt wurde, wurde zwischen Rindern übertragen, indem Rindernervengewebe in Futtermittel für andere Rinder aufgenommen wurde. Personen mit Kuru und BSE zeigen Symptome des Verlusts der motorischen Kontrolle und ungewöhnliches Verhalten, wie z. B. unkontrolliertes Gelächter mit Kuru, gefolgt vom Tod. Kuru wurde kontrolliert, indem die Bevölkerung dazu gebracht wurde, ihren rituellen Kannibalismus aufzugeben.

Andererseits dachte man zunächst, dass BSE nur Rinder befällt. Es wurde gezeigt, dass Rinder, die an der Krankheit starben, Läsionen oder „Löcher“ im Gehirn entwickelten, wodurch das Gehirngewebe einem Schwamm ähnelte. Später im Ausbruch zeigte sich jedoch, dass eine ähnliche Enzephalopathie beim Menschen, die als Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJK) bekannt ist, durch den Verzehr von Rindfleisch von BSE-infizierten Tieren übertragen werden konnte, was zu Einfuhrverboten verschiedener Länder führte britisches Rindfleisch und der britischen Rindfleischindustrie erheblichen wirtschaftlichen Schaden zufügen ((Abbildung)). BSE existiert immer noch in verschiedenen Bereichen, und obwohl es sich um eine seltene Krankheit handelt, sind Personen, die an CJK erkranken, schwer zu behandeln. Die Krankheit kann durch Blut von Mensch zu Mensch übertragen werden, daher haben viele Länder Blutspenden aus Regionen verboten, die mit BSE in Verbindung stehen.

Die Ursache von spongiformen Enzephalopathien wie Kuru und BSE ist eine infektiöse Strukturvariante eines normalen zellulären Proteins namens PrP (Prion Protein). Diese Variante bildet das Prionenteilchen. PrP existiert in zwei Formen, PrP c , die normale Form des Proteins, und PrP sc , die infektiöse Form. Einmal in den Körper eingeführt, bindet das im Prion enthaltene PrP sc an PrP c und wandelt es in PrP sc um. Dies führt zu einem exponentiellen Anstieg des PrP sc-Proteins, das aggregiert. PrP sc ist abnormal gefaltet und die resultierende Konformation (Form) ist direkt für die im Gehirn infizierter Rinder beobachteten Läsionen verantwortlich. Daher scheint das Prion, wenn auch nicht ohne einige Kritiker unter Wissenschaftlern, eine völlig neue Form von Infektionserregern zu sein, die erste gefundene, deren Übertragung nicht von Genen abhängt, die aus DNA oder RNA bestehen.


Viroide

Viroide sind Pflanzenpathogene: kleine, einzelsträngige, zirkuläre RNA-Partikel, die viel einfacher sind als ein Virus. Sie haben weder ein Kapsid noch eine äußere Hülle, sondern können sich wie Viren nur innerhalb einer Wirtszelle vermehren. Viroide produzieren jedoch keine Proteine, sondern nur ein einziges, spezifisches RNA-Molekül. Menschliche Krankheiten, die durch Viroide verursacht werden, müssen noch identifiziert werden.

Viroide sind dafür bekannt, Pflanzen zu infizieren ((Abbildung)) und sind für Ernteausfälle und den Verlust von Millionen Dollar an landwirtschaftlichen Einnahmen jedes Jahr verantwortlich. Einige der Pflanzen, die sie infizieren, sind Kartoffeln, Gurken, Tomaten, Chrysanthemen, Avocados und Kokospalmen.


Virologe
Virologie ist das Studium von Viren, und ein Virologe ist eine Person, die in dieser Disziplin ausgebildet ist. Eine Ausbildung in Virologie kann zu vielen verschiedenen Karrierewegen führen. Virologen engagieren sich aktiv in der akademischen Forschung und Lehre an Hochschulen und medizinischen Fakultäten. Einige Virologen behandeln Patienten oder sind an der Entwicklung und Herstellung von Impfstoffen beteiligt. Sie können an epidemiologischen Studien teilnehmen ((Abbildung)) oder Wissenschaftsautoren werden, um nur einige mögliche Karrieren zu nennen.


Wenn Sie denken, dass Sie an einer Karriere in der Virologie interessiert sein könnten, suchen Sie einen Mentor auf diesem Gebiet. Viele große medizinische Zentren haben Abteilungen für Virologie, und kleinere Krankenhäuser haben normalerweise Virologielabore in ihren mikrobiologischen Abteilungen. Freiwilligenarbeit in einem Virologielabor für ein Semester oder Arbeit in einem über den Sommer. Ein Gespräch über den Beruf und ein Einblick in die Arbeit aus erster Hand helfen Ihnen bei der Entscheidung, ob eine Karriere in der Virologie das Richtige für Sie ist. Die Website der American Society of Virology ist eine gute Quelle für Informationen zu Ausbildung und Karriere in der Virologie.

Abschnittszusammenfassung

Prionen sind Infektionserreger, die aus Protein, aber keiner DNA oder RNA bestehen und ihre tödlichen Wirkungen zu entfalten scheinen, indem sie ihre Formen duplizieren und sich im Gewebe anreichern. Es wird angenommen, dass sie zu mehreren fortschreitenden Gehirnerkrankungen beitragen, darunter Rinderwahnsinn und Creutzfeldt-Jakob-Krankheit. Viroide sind einzelsträngige RNA-Erreger, die Pflanzen infizieren. Ihre Anwesenheit kann schwerwiegende Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben.

Rezensionsfragen

Welche der folgenden Aussagen werden nicht mit Prionen in Verbindung gebracht?

Welche Aussage trifft auf Viroide zu?

  1. Sie sind einzelsträngige RNA-Partikel.
  2. Sie vermehren sich nur außerhalb der Zelle.
  3. Sie produzieren Proteine.
  4. Sie betreffen sowohl Pflanzen als auch Tiere.

Fragen zum kritischen Denken

Prionen sind für die Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit verantwortlich, die in den letzten 10 Jahren in Großbritannien zu über 100 Todesfällen geführt hat. Wie erkranken Menschen an dieser Krankheit?

Diese auf Prionen basierende Krankheit wird durch den menschlichen Verzehr von infiziertem Fleisch übertragen.

Wie sind Viroide wie Viren?

Beide replizieren sich in einer Zelle, und beide enthalten Nukleinsäure.

Ein Botaniker bemerkt, dass eine Tomatenpflanze krank aussieht. Wie konnte der Botaniker bestätigen, dass der Krankheitserreger ein Viroid und kein Virus ist?

Der Botaniker müsste alle fremden Nukleinsäuren aus infizierten Pflanzenzellen isolieren und bestätigen, dass ein RNA-Molekül der ätiologische Erreger einer Krankheit ist. Der Botaniker müsste dann zeigen, dass die RNA Pflanzenzellen ohne Kapsid infizieren kann und dass die RNA repliziert, aber nicht translatiert wird, um Proteine ​​zu produzieren.

Glossar


Studienhinweise zu Prionen

Prion ist ein Akronym für ‘proteinaceous infektiöser Partikel.’ Mitte der 1960er Jahre berichteten Tikvah Alper und Mitarbeiter, dass Nukleinsäure wahrscheinlich kein Bestandteil des Infektionserregers ist, der die Scrapie-Krankheit verursacht. 1967 spekulierte J. S. Griffith, dass der Scrapie-Erreger ein Protein sein könnte, das ohne Nukleinsäure zur „Selbstreplikation“ in der Lage ist.

Stanley B. Prusiner, ein Neurologe an der University of California in San Francisco, war jedoch der erste Anfang der 1980er-Jahre, der den Infektionserreger erfolgreich reinigte und zeigte, dass er hauptsächlich aus Proteinen besteht (technisch gesehen handelt es sich um ein Glykoprotein, weil es eine Zuckergruppe hat). Er prägte 1982 den Begriff Prion für den neuen, ausschließlich aus Protein bestehenden Erreger, der für neurodegenerative Erkrankungen namens Transmissible Spongiforme Enzephalopathien (TSE) verantwortlich ist.

Dazu gehören die Scrapie-Krankheit bei Schafen, bovine spongiforme Enzephalopathen (BSE oder made cow disease) bei Rindern, die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJK) und Kuru beim Menschen. Er wählte diesen Namen, um diesen neuen Erreger von Viren und Viroiden zu unterscheiden.

Prusiner erhielt den Nobelpreis der Medizin für eine revolutionäre Theorie – die Prionen-Hypothese. Im Jahr 2007 stellten der Biochemiker Surachai Supattapon und Mitarbeiter gereinigte infektiöse Prionen her (PrPc co-gereinigte Lipide und ein synthetisches polyanionisches Molekül). Im Jahr 2010 Jiyan. Ma und Mitarbeiter reinigten infektiöse Prionen. 2011 wurde nachgewiesen, dass Prionen durch Flechten abgebaut werden können.

Prionen sind etwas Einzigartiges, das irgendwo in der Grenzzone zwischen Lebewesen und unbelebter Materie existiert. Prion, ein anormales Protein aus normalen Zellen (PrP), reichert sich im Gehirn an und schädigt und zerstört die Gehirnzellen nach und nach. Prionprotein kann durch Injektion oder Aufnahme von infiziertem Gewebe auf andere Individuen derselben oder nahe verwandter Spezies übertragen werden und scheint zwischen Spezies übertragbar zu sein, die nicht eng verwandt sind, z. B. zwischen Rindern und Menschen.

Proteine, die ein Verhalten vom Prion-Typ zeigen, werden auch in einigen Pilzen gefunden. Ab 2010 sind 8 Prionenproteine ​​in Pilzen bekannt (7 in Saccharomyces cerevisae und 1 in Podospora anserina). Diese waren hilfreich beim Verständnis der Prionen von Säugetieren. Pilz-Prionen scheinen bei Wirten keine Krankheiten zu verursachen (nicht-tödliche Prionen).

2. Struktur von Prionen:

Die Prionen bestehen ausschließlich aus Sialogycoprotein, dem sogenannten Prion Protein (PrP). Sie enthalten keine Nukleinsäure. Dieses Protein kommt auch bei gesunden Menschen und Tieren im ganzen Körper vor. PrP, das in Infektionspartikeln gefunden wird, hat jedoch eine andere Struktur und ist resistent gegen Proteasen, das Enzym im Körper, das normalerweise Proteine ​​​​abbauen kann.

Die normale Form von Protein ist PrPc, während die Infektionsform Pr Psc genannt wird (das c bezieht sich auf zelluläres oder allgemeines PrP, während sich sc auf Scrapie, eine bei Schafen vorkommende Prionenkrankheit, bezieht). PrPc ist ein normales Protein, das in der Zellmembran vorkommt.

Es hat 209 Aminosäuren (beim Menschen), eine Disulfidbrücke, eine Molekülmasse von 35-36 KDa und eine hauptsächlich alpha-helikale Struktur. Die infektiöse Isoform von PrP, bekannt als PrPSc, ist in der Lage, normale PrPc-Proteine ​​in eine infektiöse Isoform umzuwandeln, indem sie ihre Konformation oder Form ändert, was wiederum die Art und Weise verändert, wie die Prion miteinander verbunden sind. Obwohl die genaue 3D-Struktur von PrPSc nicht bekannt ist, weist es einen höheren Anteil an B-Faltblatt-Struktur anstelle der normalen a-Helix-Struktur auf.

3. Vermehrung von Prionen:

Prionen vermehren sich, indem sie einen fehlgefalteten Proteinzustand übertragen. Wenn ein Prion in einen gesunden Organismus eindringt, induziert es vorhandene, richtig gefaltete Proteine ​​in die krankheitsassoziierte Prionform. Das Prion fungiert als Matrize, um die Fehlfaltung von mehr Proteinen in die Prionenform zu führen. Diese neu gebildeten Prionen können dann selbst weitere Proteine ​​umwandeln, dies löst eine Reaktionskette aus, die einen Großteil der Prionenformen produziert. Zur Erläuterung dieses Heterodimer-Modells wird angegeben.

Heterodimer-Modell:

Dieses Modell versucht zu erklären, wie sich Prionen nur auf Protein-Art replizieren. Ein einzelnes PrPsc-Molekül bindet an ein einzelnes PrPc-Molekül und katalysiert dessen Umwandlung in PrPsc. Die beiden PrPsc-Moleküle lösen sich dann auf und können weiter PrPc umwandeln (Abb. 3). Ein alternatives Modell geht davon aus, dass PrPsc nur als Fibrillen existiert und dass Fibrillenenden PrPc binden und in PrPsc umwandeln (Abb. 4).

4. Prionenkrankheiten:

Prionenerkrankungen (auch übertragbare spongiforme Enzephalopathie genannt) sind sehr selten: Fast alle bekannten Prionenerkrankungen sind neurologische Erkrankungen. Creutz-Feldt-Jacob-Krankheit, machen etwa 85% der Fälle aus. Es gibt etwa 1 bis 1,5 Fälle pro eine Million Menschen pro Jahr.

Menschliche Prion-Krankheiten:

Creutzfeldt-Jacob-Krankheit (bovine spongiforme Enzephalopathie):

Eine Person kann die Krankheit bekommen, indem sie BSE (Bovine spongiforme Enzephalopathie) infiziertes Rindfleisch mit einer Bluttransfusion isst, von einer Person mit der Krankheit, Injektion von menschlichem Wachstumshormon, das aus erkrankten Körpern extrahiert wird, oder durch infizierte chirurgische Instrumente.

Patienten leiden an Ataxie oder Ungleichgewicht (ein Patient kann nicht gut stehen oder gehen, weil er sein Gleichgewicht nicht halten kann. Dies ist auf eine Erkrankung des Kleinhirns zurückzuführen), Demenz oder Mentalitätsverlust (progressiver Verlust der kognitiven Funktionen) sterben in der Regel nach einem Jahr.

Diese Krankheit wird von Menschen gesehen, die in Neuguinea leben und die Gehirne von Toten essen. Die Patienten leiden an Ataxie, Demenz und Unfähigkeit, ihre Augen zu bewegen. Patienten sterben in der Regel innerhalb von zwei Jahren.

Gerstmann-Straussler-Scheinker-Syndrom:

Sehr seltenes Syndrom, präsentiert mit Ataxie und Demenz Tierische Prionenkrankheiten.


Viroide

Abbildung 2: Diese Kartoffeln wurden mit dem Kartoffel-Spindel-Knollen-Viroid (PSTV) infiziert, das typischerweise verbreitet wird, wenn infizierte Messer verwendet werden, um gesunde Kartoffeln zu schneiden, die dann gepflanzt werden. (Kredit: Pamela Roberts, University of Florida Institute of Food and Agricultural Sciences, USDA ARS)

Viroide sind Pflanzenpathogene: kleine, einzelsträngige, zirkuläre RNA-Partikel, die viel einfacher sind als ein Virus. Sie haben weder ein Kapsid noch eine äußere Hülle, sondern können sich wie Viren nur innerhalb einer Wirtszelle vermehren. Viroide produzieren jedoch keine Proteine, sondern nur ein einziges, spezifisches RNA-Molekül. Menschliche Krankheiten, die durch Viroide verursacht werden, müssen noch identifiziert werden.

Es ist bekannt, dass Viroide Pflanzen infizieren ([Abbildung 2]) und jedes Jahr für Ernteausfälle und den Verlust von Millionen Dollar an landwirtschaftlichen Einnahmen verantwortlich sind. Einige der Pflanzen, die sie infizieren, sind Kartoffeln, Gurken, Tomaten, Chrysanthemen, Avocados und Kokospalmen.

Virologe
Virologie ist das Studium von Viren, und ein Virologe ist eine Person, die in dieser Disziplin ausgebildet ist. Eine Ausbildung in Virologie kann zu vielen verschiedenen Karrierewegen führen. Virologen engagieren sich aktiv in der akademischen Forschung und Lehre an Hochschulen und medizinischen Fakultäten. Einige Virologen behandeln Patienten oder sind an der Entwicklung und Herstellung von Impfstoffen beteiligt. Sie können an epidemiologischen Studien teilnehmen ([Abbildung 3]) oder Wissenschaftsautoren werden, um nur einige mögliche Karrieren zu nennen.

Abbildung 3: Dieser Virologe führt Feldforschung durch und nimmt Eier aus diesem Nest auf die Vogelgrippe. (Kredit: Don Becker, USGS EROS, U.S. Fish and Wildlife Service)

Wenn Sie denken, dass Sie an einer Karriere in der Virologie interessiert sein könnten, suchen Sie einen Mentor auf diesem Gebiet. Viele große medizinische Zentren haben Abteilungen für Virologie, und kleinere Krankenhäuser haben normalerweise Virologielabore in ihren mikrobiologischen Abteilungen. Freiwilligenarbeit in einem Virologielabor für ein Semester oder Arbeit in einem über den Sommer. Ein Gespräch über den Beruf und ein Einblick in die Arbeit aus erster Hand helfen Ihnen bei der Entscheidung, ob eine Karriere in der Virologie das Richtige für Sie ist. Die Website der American Society of Virology ist eine gute Quelle für Informationen über Ausbildung und Karriere in der Virologie.


Viroide

Abbildung 2. Diese Kartoffeln wurden mit dem Kartoffelspindelknollenviroid infiziert, das sich typischerweise ausbreitet, wenn infizierte Messer gesunde Kartoffeln schneiden, die dann gepflanzt werden. (Kredit: Pamela Roberts, University of Florida Institute of Food and Agricultural Sciences, USDA ARS)

Viroide sind Pflanzenpathogene: kleine, einzelsträngige, zirkuläre RNA-Partikel, die viel einfacher sind als ein Virus. Sie haben weder ein Kapsid noch eine äußere Hülle, sondern können sich wie Viren nur innerhalb einer Wirtszelle vermehren. Viroide produzieren jedoch keine Proteine, sondern nur ein einziges, spezifisches RNA-Molekül. Human diseases caused by viroids have yet to be identified.

Viroids are known to infect plants (Figure 2) and are responsible for crop failures and the loss of millions of dollars in agricultural revenue each year. Some of the plants they infect include potatoes, cucumbers, tomatoes, chrysanthemums, avocados, and coconut palms.

Karriereverbindung

Virologist

Figure 3. This virologist is engaged in fieldwork, sampling eggs from this nest for avian influenza. (credit: Don Becker, USGS EROS, U.S. Fish and Wildlife Service)

Virology is the study of viruses, and a virologist is an individual trained in this discipline. Training in virology can lead to many different career paths. Virologists are actively involved in academic research and teaching in colleges and medical schools. Some virologists treat patients or are involved in the generation and production of vaccines. They might participate in epidemiologic studies (Figure 3) or become science writers, to name just a few possible careers.

If you think you may be interested in a career in virology, find a mentor in the field. Many large medical centers have departments of virology, and smaller hospitals usually have virology labs within their microbiology departments. Volunteer in a virology lab for a semester or work in one over the summer. Discussing the profession and getting a first-hand look at the work will help you decide whether a career in virology is right for you. The American Society of Virology’s website is a good resource for information regarding training and careers in virology.


RNAs That Behave Like Prions

The term "prion" was originally coined to describe the proteinaceous infectious agents involved in mammalian neurological disorders. More recently, a prion has been defined as a nonchromosomal, protein-based genetic element that is capable of converting the copies of its own benign variant into the prion form, with the new phenotypic effects that can be transmitted through the cytoplasm. Some prions are toxic to the cell, are able to aggregate and/or form amyloid structures, and may be infectious in the wild, but none of those traits are seen as an integral property of all prions. We propose that the definition of prion should be expanded, to include the inducible transmissible entities undergoing autocatalytic conversion and consisting of RNA rather than protein. We show that when seen in this framework, some naturally occurring RNAs, including ribozymes, riboswitches, viroids, viroid-like retroelements, and PIWI-interacting RNAs (piRNAs), possess several of the characteristic properties of prions.


Schau das Video: Der flexible Schweif des Prions vergiftet die Hirnzellen (November 2022).