Evolution der Influenza-Viren - Antigenshift und Antigendrift

Im Folgenden möchte ich dir grundlegendes Wissen über das Thema Influenza-Viren liefern. Damit es im Artikel nicht zu Missverständnissen kommt, muss im Vorderfeld geklärt werden, dass ein Virus kein Lebewesen ist.

Eine Membran umschließt die Proteinmatrix der Influenza-Viren, welche acht einzelne RNA-Stränge aufbewahrt. In den acht RNA-Strängen befinden sich die Codierung für insgesamt zehn Proteine, welche wie folgt lauten: HA, NA, M1, M2, PB1, PB2, PA, NP, NS1, NS2. Diese Proteine umfassen neben Struktur- und Hüllproteinen auch eine Polymerase, welche für die DNA-Replikation benötigt wird. Das jeweilige Merkmal des Virus bilden die Oberflächenproteine Hämagglutinin (H) und Neuraminidase (N). Mittlerweile konnte man 16 (H1-H16) und 9 (N1-N9) Proteine identifizieren. Beide Oberflächenproteine haben eine wesentliche Funktion bei der Verbreitung und Vermehrung von Viren. Das Hämagglutinin ist ein Peplomer (nach außen gerichtetes Protein), welches das Eindringen des Virus in die Wirtszelle ermöglicht und an die  Rezeptoren der Wirtszelle bindet. Die Neuraminidase fungiert als Transporter der in den Wirtszellen neu gebildeten Viren. Dadurch können die Viren die Wirtszelle verlassen und anschließend neue Wirtszellen infizieren.

Die Ursachen der schnellen Verbreitung dieser Influenza-Viren sind einerseits die große Populationsgröße und anderseits die kurze Generationszeit. Die daraus resultierenden Folge ist, dass die Viren nur eine kurze Zeitspanne benötigen, um sich vollständig zu replizieren. Außerdem werden in der RNA-Replikation des Virus falsche Nukleotide mit einer Wahrscheinlichkeit von 10^-3 bis 10^-4 eingebaut, da die RNA-Polymerase keine Fehlerkorrektur-Funktionen besitzt. Daraus resultiert eine hohe Mutationsrate.

Der Grund für den Fortbestand der Influenza-Viren ist die Variabilität. Die Oberflächenproteine (Antigene) sind für die Ausbildung von Antikörpern verantwortlich und sind dem Selektionsdruck des Immunsystems (Einwirken eines Selektionsfaktor) ausgesetzt. Durch die wichtige Variabilität in Form von zwei Mechanismen, Mutationen und Antigendrift, ist es möglich, dass das Hämagglutinin so verändert wird, dass das Abwehrsystem dieses nicht mehr erkennt. Der „Antigendrift“ kommt zustande, wenn in der Wirtszelle die Replikation der Viren-RNA abläuft. Die ablaufende RNA-Polymerase ist dafür verantwortlich und weist eine hohe Fehlerrate und  keine Reparaturfunktion auf, sodass sich pro Virus-Generation ein oder mehrere Nukleotide ändern. Die vielen auftretenden Mutationen können zu einer Veränderung der Aminosäuresequenz führen. Die Veränderung bzw. Abänderung des Genoms wird als „Gendrift“ bezeichnet. Der Sonderfall des „Antigendrift“ weist eine Mutation auf, welche die Struktur der Oberflächenproteine verändert. Die daraus bildende Gefahr ist, dass bei einem auftretenden Antigendrift  der erworbene Immunschutz des Wirts nicht  mehr gewährleistet wird.

Durch die Variabilität können Neukombinationen von Viren entstehen. Die Viren, welche segmentierte Genome (DNA auf mehreren Stücken verteilt) besitzen, können neben den Mutationen auch genetische Veränderungen erreichen. Die genetische Veränderung bezeichnet als „genetic reassortment“ (Reassortierung, Vermischung) drückt aus, wenn ein Austausch von nur einem oder zahlreichen Gensegmenten stattfindet. Der Austausch findet zwischen zwei verwandten Viren statt, wenn beide gleichzeitig eine Zelle infizieren. Diese Doppelinfektion hat die Auswirkung einer Replikation beider Baupläne. Darauffolgend werden die Baupläne zusammengefügt, hierbei können zwei Möglichkeiten auftreten. Einerseits kann der Genshift entstehen, sodass die zusammengesetzten Viren immer noch vom selben Subtyp sind, anderseits kann der  Antigenshift  entstehen, bei dem ein Austausch der Gensegmente stattfindet, welche für die Oberflächenproteine Hämagglutinin und Neuraminidase codieren.

 

Wie kommt es zu den wiederkehrenden Epidemien?

Schweine bereiten  Schwierigkeiten, da diese Tiere als „Mischgefäß“ dienen, welche von humanen und aviären Viren infiziert werden können und somit die Barrieren der Arten überschreitet. Beim Konsum des infizierten Tieres durch einen Konsumenten kann es dazuführen, dass der Betroffene von den Virus infiziert wird.

 

Aus diesen Gründen muss die Entwicklung von Impfstoffen jährlich angepasst werden, da Mutationen und der Antigenshift wiederholend auftreten. 

Abb. 1: Influenza-Virus
Abb. 1: Influenza-Virus