Retroviren: RNA-Genom und Reverse Transkriptase
HIV als Retrovirus: einzelsträngiges RNA-Genom in zwei Kopien, behülltes Virion mit mitgebrachten Enzymen und die Reverse Transkriptase, die RNA in DNA umschreibt.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Retrovirus ist ein behülltes RNA-Virus, das sein Genom mit einer eigenen Reversen Transkriptase in DNA umschreibt. HIV gehört zu den Retroviridae und verursacht AIDS.
- Das HIV-Virion enthält zwei Kopien einzelsträngiger RNA und keine DNA. HIV ist daher ein RNA-Virus.
- HIV besitzt eine Lipidhülle aus der Wirtszellmembran. Im Capsid bringt es Reverse Transkriptase, Integrase, Protease und einen tRNA-Primer mit.
- Die Reverse Transkriptase ist eine RNA-abhängige DNA-Polymerase: Sie synthesiert an RNA einen komplementären Strang (cDNA) und bildet mit RNase H und DNA-abhängiger Polymerase-Aktivität doppelsträngige DNA.
- Alle Retroviren, auch onkogene wie HTLV-1, codieren ihre RT selbst und sind auf sie angewiesen.
- Retroviren benötigen keine RNA-abhängige RNA-Polymerase, da neue RNA durch die zelluläre RNA-Polymerase II entsteht, und auch keine thermostabile DNA-Polymerase.
Worum es geht
Retroviren kehren den üblichen Informationsfluss der Zelle um: Sie schreiben ihr RNA-Genom in DNA um. HIV ist ihr bekanntester Vertreter. Das Enzym für diesen Rückweg ist zugleich Angriffspunkt wichtiger Arzneistoffe wie Zidovudin.
HIV als Retrovirus
HIV, das humane Immundefizienz-Virus, gehört zur Familie der Retroviridae. Es ist der Erreger von AIDS (acquired immunodeficiency syndrome). Unbehandelt zerstört das Virus über Jahre Zellen des Immunsystems. Am Ende treten Infektionen und Tumoren auf, die ein gesunder Mensch abwehren würde.
Ein Retrovirus ist ein behülltes Virus mit einzelsträngigem RNA-Genom, das sein Genom in der Wirtszelle mit einem eigenen Enzym in DNA umschreibt. Der Name kommt vom lateinischen „retro“ für rückwärts.
Zur Familie gehören auch onkogene, also tumorauslösende Retroviren. Beim Menschen ist HTLV-1 das bekannteste Beispiel. Es kann eine T-Zell-Leukämie des Erwachsenen auslösen. Bei Tieren sind viele Tumorviren Retroviren, etwa das Rous-Sarkom-Virus des Huhns. An solchen Tumorviren wurde 1970 die Reverse Transkriptase entdeckt.
Genom und Virion
Retroviren sind RNA-Viren. Ihr Genom besteht aus einzelsträngiger RNA mit Plusstrang-Polarität, also mit derselben Orientierung wie eine mRNA. Die Genomtypen im Allgemeinen erklärt die Seite Bau und Genom der Viren. Im HIV-Virion liegen zwei Kopien dieses Genoms. Man nennt das Virion deshalb diploid.
Beide RNA-Moleküle bleiben einzelsträngig. Sie lagern sich nur an einer kleinen Kontaktstelle nahe dem 5′-Ende aneinander und bilden keinen durchgehenden Doppelstrang. Das freie Virion enthält keine DNA. DNA entsteht erst in der infizierten Zelle als Zwischenstufe. Dass HIV trotz dieses DNA-Schritts ein RNA-Virus ist, wird im Examen gerne gefragt: Maßgeblich ist das Genom im Virion, und das ist einzelsträngige RNA in zwei Kopien.
Hülle und mitgebrachte Enzyme
HIV ist ein behülltes Virus. Seine Lipidhülle stammt aus der Membran der Wirtszelle. Das Virus nimmt sie beim Ausknospen mit. In der Hülle stecken die viralen Glykoproteine gp120 und gp41, mit denen HIV an neue Zielzellen bindet. Darunter liegt eine Matrixschicht aus p17, im Inneren das kegelförmige Capsid aus p24.
Im Capsid liegen neben den beiden RNA-Molekülen die Enzyme, die das Virus in der Zielzelle sofort braucht: Reverse Transkriptase, Integrase und Protease. Die Wirtszelle stellt kein Enzym bereit, das die Virus-RNA in DNA umschreiben könnte. Das Virus muss sein Werkzeug also selbst mitbringen, ähnlich wie ein Handwerker, der beim Kunden kein passendes Gerät vorfindet. Zusätzlich ist eine zelluläre tRNA verpackt. Sie dient später als Primer. Integrase und Protease behandelt der Vermehrungszyklus von HIV.
Reverse Transkriptase
Die Reverse Transkriptase (RT) ist eine RNA-abhängige DNA-Polymerase. Sie nutzt RNA als Matrize und baut daran einen komplementären DNA-Strang auf. Diesen Strang nennt man cDNA (complementary DNA). Bausteine sind Desoxynucleosidtriphosphate. Bei jedem Schritt wird Pyrophosphat frei:
\[\ce{DNA_{n} + dNTP -> DNA_{n+1} + PP_i}\]
Wie jede DNA-Polymerase verlängert die RT nur in 5′→3′-Richtung. Sie braucht einen Primer mit freiem 3′-OH-Ende. Bei HIV ist das die mitgebrachte Lysin-tRNA.
Die Funktion der RT wird im Examen gerne gefragt: Sie ist eine viral codierte RNA-abhängige DNA-Polymerase, synthetisiert an einer RNA-Matrize einen komplementären DNA-Strang (cDNA) und liefert bei HIV am Ende doppelsträngige DNA. Achte auf die Richtung RNA → DNA und darauf, dass jedes Retrovirus dieses Enzym besitzt und ohne es nicht vermehrungsfähig ist.
Von der RNA zum DNA-Doppelstrang
Die RT vereint drei Aktivitäten in einem Enzym. Vereinfacht läuft die reverse Transkription so ab:
- Primer: Die tRNA lagert sich an die Primerbindungsstelle der viralen RNA.
- Erster Strang: Als RNA-abhängige DNA-Polymerase synthetisiert die RT die cDNA. Es entsteht ein RNA-DNA-Hybrid.
- RNA-Abbau: Die RNase-H-Aktivität baut den RNA-Strang im Hybrid ab.
- Zweiter Strang: Als DNA-abhängige DNA-Polymerase ergänzt die RT den Gegenstrang zur cDNA. Das Produkt ist doppelsträngige DNA.
Diese doppelsträngige DNA wird anschließend in das Genom der Wirtszelle eingebaut. Die RT besitzt keine Korrekturlesefunktion (3′→5′-Exonuclease). Sie baut deshalb häufig falsche Nucleotide ein. Das erklärt die hohe Mutationsrate von HIV und die rasche Bildung resistenter Varianten.
Rückweg im Informationsfluss
Normalerweise fließt genetische Information von DNA über RNA zum Protein. Die RT öffnet den Rückweg von RNA zu DNA, wie die Abbildung zeigt. Anders als das Ribosom liest sie keine mRNA ab, um Protein zu bilden. Sie translatiert auch keine virale DNA, denn Translation bedeutet immer die Übersetzung von RNA in Protein. Die tRNA ist für sie nur Primer und liefert keine Aminosäure. Die RT ist außerdem ein Polymerase-Enzym und keine Kinase, die etwa die zelluläre RNA-Polymerase phosphoryliert.
Retro heißt rückwärts: Die Reverse Transkriptase kehrt die Transkription um und schreibt RNA in DNA. Mit der Proteinsynthese hat sie nichts zu tun.
Bei allen Retroviren unverzichtbar
Jedes Retrovirus codiert seine RT selbst, im sogenannten pol-Gen. Ohne das Enzym kann aus der Virus-RNA keine DNA entstehen, und die Vermehrung bricht ab. Das gilt für HIV ebenso wie für onkogene Retroviren wie HTLV-1. Ganz auf Retroviren beschränkt ist reverse Transkription allerdings nicht. Auch Hepatitis-B-Viren, die zelluläre Telomerase und Retrotransposons nutzen sie.
Weil HIV ohne RT nicht vermehrungsfähig ist, hemmen viele antiretrovirale Arzneistoffe genau dieses Enzym. Nucleosid- und Nucleotidanaloga wie Zidovudin, Lamivudin und Tenofovir führen zum Kettenabbruch, nicht-nucleosidische Hemmstoffe wie Efavirenz binden allosterisch.
Nicht benötigte Polymerasen
Viele RNA-Viren vervielfältigen ihr Genom direkt von RNA zu RNA. Dafür brauchen sie eine RNA-abhängige RNA-Polymerase. Beispiele sind Influenzaviren und Polioviren. Retroviren gehen dagegen einen Umweg über DNA. HIV codiert deshalb keine RNA-abhängige RNA-Polymerase und benötigt sie auch nicht.
Neue Genom-RNA entsteht bei HIV durch Transkription der eingebauten Virus-DNA. Das übernimmt die zelluläre RNA-Polymerase II, also eine DNA-abhängige RNA-Polymerase der Wirtszelle. Das Virus nutzt damit die Maschinerie, mit der die Zelle ihre eigenen Gene abliest.
- Genom: einzelsträngige RNA
- Weg: RNA → RNA
- Schlüsselenzym: viral codierte RNA-abhängige RNA-Polymerase
- Genom: einzelsträngige RNA in zwei Kopien
- Weg: RNA → DNA → RNA
- Schlüsselenzyme: virale RT, danach zelluläre RNA-Polymerase II
Die Namen folgen dem Muster „Matrize-abhängige Produkt-Polymerase“. Die RT liest RNA und baut DNA, ist also eine RNA-abhängige DNA-Polymerase. Die RNA-abhängige RNA-Polymerase liest und baut RNA und gehört zu anderen RNA-Viren.
Eine thermostabile DNA-Polymerase wie die Taq-Polymerase aus Thermus aquaticus braucht ein Retrovirus ebenfalls nicht. Hitzestabilität ist nur nötig, wenn ein Ansatz immer wieder auf über 90 °C erhitzt wird. Das geschieht in der PCR, nicht im Körper. Retroviren vermehren sich bei etwa 37 °C. Im Labor nutzt man die RT, um aus RNA cDNA herzustellen, etwa bei der RT-PCR zur Bestimmung der HIV-Viruslast. Die Methode selbst ist bei den molekularbiologischen Grundlagen erklärt.
Quiz
Aussage 1
Die Reverse Transkriptase übersetzt virale mRNA in die Aminosäuresequenz der Virusproteine.
Translation von RNA in Protein leistet das Ribosom. Die Reverse Transkriptase polymerisiert Desoxynucleotide und schreibt RNA in DNA um.
Aussage 2
Das freie HIV-Virion trägt sein Genom als doppelsträngige DNA.
Das Virion enthält keine DNA. Sein Genom besteht aus zwei einzelsträngigen RNA-Molekülen. DNA entsteht erst in der infizierten Zelle.
Aussage 3
Im HIV-Virion liegt das RNA-Genom in zwei einzelsträngigen Kopien vor.
Das Virion ist diploid: Es enthält zwei einzelsträngige RNA-Moleküle, die nur an einer kleinen Stelle aneinandergelagert sind.
Aussage 4
Onkogene Retroviren wie HTLV-1 vermehren sich ohne Reverse Transkriptase, weil sie die Polymerasen der Wirtszelle nutzen.
Alle Retroviren, auch onkogene, codieren ihre Reverse Transkriptase selbst und sind für die Vermehrung auf sie angewiesen.
Aussage 5
HIV codiert eine eigene RNA-abhängige RNA-Polymerase, um neue Genom-RNA herzustellen.
HIV besitzt keine RNA-abhängige RNA-Polymerase. Neue Genom-RNA entsteht durch Transkription der Virus-DNA mit der zellulären RNA-Polymerase II.
Aussage 6
HIV gehört zur Familie der Retroviridae und ist der Erreger von AIDS.
HIV ist ein Retrovirus aus der Familie Retroviridae und verursacht AIDS.
Aussage 7
Die Reverse Transkriptase synthetisiert an einer RNA-Matrize einen komplementären DNA-Strang.
Als RNA-abhängige DNA-Polymerase bildet sie an RNA die cDNA und bei HIV schließlich doppelsträngige DNA.
Aussage 8
Die Lipidhülle von HIV stammt aus der Membran der Wirtszelle.
HIV nimmt beim Ausknospen einen Teil der Wirtszellmembran als Hülle mit. Darin stecken die viralen Glykoproteine gp120 und gp41.
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