Mikrobiologie

Bei der Suche nach den Erregern von bisher nicht untersuchten Krankheiten wurden nicht lebende Krankheitserreger entdeckt, die sich von Viren deutlich unterscheiden. Dazu gehören Partikel, die nur aus RNA oder nur aus Protein bestehen, die jedoch in der Lage sind, sich auf Kosten eines Wirts selbst zu vermehren – eine entscheidende Ähnlichkeit zu Viren, die es ihnen ermöglicht, Krankheiten zu verursachen. Zu diesen Entdeckungen gehören bisher Viroide, Virusoide und die proteinartigen Prionen.

Viroide

Abbildung 1. Diese Kartoffeln wurden mit dem Potato spindle tuber viroid (PSTV) infiziert, das typischerweise verbreitet wird, wenn infizierte Messer zum Schneiden gesunder Kartoffeln verwendet werden, die dann gepflanzt werden. (credit: Pamela Roberts, University of Florida Institute of Food and Agricultural Sciences, USDA ARS)

Im Jahr 1971 entdeckte Theodor Diener, ein Pathologe, der beim Agriculture Research Service arbeitete, ein azelluläres Partikel, das er Viroid nannte, was „virusähnlich“ bedeutet. Viroide bestehen nur aus einem kurzen Strang zirkulärer RNA, der zur Selbstreplikation fähig ist. Das erste entdeckte Viroid wurde als Erreger der Kartoffelknollenspindelkrankheit entdeckt, die einen verlangsamten Austrieb und verschiedene Missbildungen bei Kartoffelpflanzen verursacht (siehe Abbildung 1). Wie Viren übernehmen Kartoffelspindelknollenviroide (PSTVs) die Kontrolle über die Wirtsmaschinerie, um ihr RNA-Genom zu replizieren. Im Gegensatz zu Viren haben Viroide keine Proteinhülle, um ihre genetische Information zu schützen.

Viroide können zu verheerenden Verlusten bei kommerziell wichtigen landwirtschaftlichen Nutzpflanzen führen, die auf Feldern und in Obstgärten angebaut werden. Seit der Entdeckung von PSTV sind weitere Viroide entdeckt worden, die Krankheiten bei Pflanzen verursachen. Tomato planta macho viroid (TPMVd) infiziert Tomatenpflanzen, was zu Chlorophyllverlust, entstellten und brüchigen Blättern und sehr kleinen Tomaten führt, was zu Produktivitätsverlusten bei dieser Feldfrucht führt. Avocado Sunblotch Viroid (ASBVd) führt zu geringeren Erträgen und schlechterer Fruchtqualität. ASBVd ist das kleinste bisher entdeckte Viroid, das Pflanzen infiziert. Pfirsich Latent Mosaic Viroid (PLMVd) kann Nekrosen an Blütenknospen und Zweigen sowie Verwundungen an reifen Früchten verursachen, was zu Pilz- und Bakterienwachstum in der Frucht führt. PLMVd kann auch ähnliche pathologische Veränderungen bei Pflaumen, Nektarinen, Aprikosen und Kirschen verursachen, was ebenfalls zu einer verminderten Produktivität in diesen Obstgärten führt. Viroide können im Allgemeinen mechanisch bei der Pflege oder Ernte, durch vegetative Vermehrung und möglicherweise über Samen und Insekten verbreitet werden, was zu einem starken Rückgang der Nahrungsmittelverfügbarkeit und verheerenden wirtschaftlichen Folgen führt.

Virusoide

Eine zweite Art von pathogener RNA, die kommerziell wichtige landwirtschaftliche Nutzpflanzen infizieren kann, sind die Virusoide, die subvirale Partikel sind, die am besten als nicht selbstreplizierende ssRNAs beschrieben werden. Die RNA-Replikation von Virusoiden ist ähnlich wie die von Viroiden, aber im Gegensatz zu Viroiden muss die Zelle auch mit einem spezifischen „Helfer“-Virus infiziert sein. Es gibt derzeit nur fünf beschriebene Typen von Virusoiden und die dazugehörigen Helferviren. Die Helferviren stammen alle aus der Familie der Sobemoviren. Ein Beispiel für ein Helper-Virus ist das Subterranean Clover Mottle Virus, das ein assoziiertes Virusoid hat, das innerhalb des viralen Kapsids verpackt ist. Sobald das Helper-Virus in die Wirtszelle eindringt, werden die Virusoide freigesetzt und können frei im Zytoplasma der Pflanzenzelle gefunden werden, wo sie Ribozym-Aktivität besitzen. Das Helfervirus durchläuft die typische virale Replikation unabhängig von der Aktivität des Virusoids. Die virusoiden Genome sind klein, nur 220 bis 388 Nukleotide lang. Ein virusoides Genom kodiert für keine Proteine, sondern dient nur der Replikation der virusoiden RNA.

Virusoide gehören zu einer größeren Gruppe von infektiösen Erregern, den sogenannten Satelliten-RNAs, die ähnliche pathogene RNAs in Tieren sind. Im Gegensatz zu den pflanzlichen Virusoiden können Satelliten-RNAs für Proteine kodieren; allerdings müssen Satelliten-RNAs, wie die pflanzlichen Virusoide, mit einem Helfervirus koinfizieren, um sich zu replizieren. Eine Satelliten-RNA, die den Menschen infiziert und die von einigen Wissenschaftlern als virusoid bezeichnet wird, ist das Hepatitis-Delta-Virus (HDV), das nach einigen Berichten auch als Hepatitis-Delta-Virusoid bezeichnet wird. Viel größer als ein Pflanzenvirusoid, hat HDV ein zirkuläres, ssRNA-Genom von 1.700 Nukleotiden und kann die Biosynthese von HDV-assoziierten Proteinen steuern. Das HDV-Helfervirus ist das Hepatitis-B-Virus (HBV). Die Koinfektion mit HBV und HDV führt zu schwereren pathologischen Veränderungen in der Leber während der Infektion, wodurch HDV zuerst entdeckt wurde.

Prionen

Einst glaubten Wissenschaftler, dass jedes infektiöse Partikel DNA oder RNA enthalten muss. Dann, 1982, entdeckte Stanley Prusiner, ein Mediziner, der Scrapie (eine tödliche, degenerative Krankheit bei Schafen) untersuchte, dass die Krankheit durch proteinartige infektiöse Partikel, oder Prionen, verursacht wird. Da Proteine azellulär sind und keine DNA oder RNA enthalten, stießen Prusiners Erkenntnisse zunächst auf Widerstand und Skepsis; seine Forschungen wurden jedoch schließlich bestätigt, und er erhielt 1997 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Ein Prion ist eine fehlgefaltete, abtrünnige Form eines normalen Proteins (PrPc), das in der Zelle gefunden wird. Dieses abtrünnige Prionprotein (PrPsc), das durch eine genetische Mutation verursacht werden oder spontan auftreten kann, kann infektiös sein und andere körpereigene normale Proteine zur Fehlfaltung anregen, wodurch Plaques entstehen (siehe Abbildung 2). Heute ist bekannt, dass Prionen verschiedene Formen der transmissiblen spongiformen Enzephalopathie (TSE) bei Mensch und Tier verursachen.

Abbildung 2. Endogenes normales Prionprotein (PrPc) wird in die krankheitsverursachende Form (PrPsc) umgewandelt, wenn es auf diese variante Form des Proteins trifft. PrPsc kann spontan im Hirngewebe entstehen, insbesondere wenn eine mutierte Form des Proteins vorhanden ist, oder es kann von fehlgefalteten Prionen stammen, die mit der Nahrung aufgenommen werden und schließlich ihren Weg ins Hirngewebe finden. (credit b: modification of work by USDA)

TSE ist eine seltene degenerative Störung, die das Gehirn und das Nervensystem betrifft. Die Anhäufung von Schurkenproteinen führt dazu, dass das Hirngewebe schwammartig wird, Gehirnzellen absterben und Löcher im Gewebe entstehen, was zu Hirnschäden, Verlust der motorischen Koordination und Demenz führt (siehe Abbildung 3). Infizierte Personen sind geistig beeinträchtigt und werden unfähig, sich zu bewegen oder zu sprechen. Es gibt keine Heilung, und die Krankheit schreitet schnell voran und führt schließlich innerhalb weniger Monate oder Jahre zum Tod.

Abbildung 3. Die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJD) ist eine tödliche Krankheit, die eine Degeneration des Nervengewebes verursacht. (a) Diese Gehirnscans vergleichen ein normales Gehirn mit einem Gehirn mit CJK. (b) Im Vergleich zu einem normalen Gehirn ist das Hirngewebe eines CJD-Patienten voller schwammartiger Läsionen, die durch abnorme Formationen des Prionproteins entstehen. (credit a (rechts): Modifikation der Arbeit von Dr. Laughlin Dawes; credit b (oben): Modifikation der Arbeit von Suzanne Wakim; credit b (unten): Modifikation der Arbeit der Centers for Disease Control and Prevention)

Zu den TSEs beim Menschen gehören Kuru, tödliche familiäre Schlaflosigkeit, Gerstmann-Straussler-Scheinker-Krankheit und Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (siehe Abbildung 3). Zu den TSEs bei Tieren gehören Rinderwahnsinn, Scrapie (bei Schafen und Ziegen) und Chronic Wasting Disease (bei Elchen und Hirschen). TSE können von Tier zu Tier und von Tier zu Mensch übertragen werden, indem kontaminiertes Fleisch oder Tierfutter verzehrt wird. Die Übertragung zwischen Menschen kann durch Vererbung (wie bei GSS und CJK) oder durch Kontakt mit kontaminiertem Gewebe erfolgen, wie es bei einer Bluttransfusion oder Organtransplantation der Fall sein kann. Es gibt keine Hinweise auf eine Übertragung durch zufälligen Kontakt mit einer infizierten Person. Tabelle 1 listet die TSEs, die den Menschen befallen, und ihre Übertragungswege auf.

Prionen sind extrem schwer zu zerstören, da sie resistent gegen Hitze, Chemikalien und Strahlung resistent sind. Selbst Standard-Sterilisationsverfahren stellen die Zerstörung dieser Partikel nicht sicher. Derzeit gibt es keine Behandlung oder Heilung für die TSE-Krankheit, und kontaminiertes Fleisch oder infizierte Tiere müssen gemäß den Bundesrichtlinien gehandhabt werden, um eine Übertragung zu verhindern.