Zellpiraten in Aktion

Viren sind obligatorische Zellparasiten. Um sich zu vermehren, müssen sie die Zelle eines Organismus entern und für ihre Zwecke umfunktionieren. Sie besitzen keinen eigenen Stoffwechsel, erzeugen keine energiereichen Moleküle wie ATP und können weder ihr Genom noch ihre Hülle selbst herstellen. Sie sind obligatorische Zellparasiten.

DNA-Viren: Übernahme der Zellmaschinerie

Nachdem ein Virus in die Zelle eingedrungen ist, beginnt die feindliche Übernahme. Das Herpesvirus, Papillomaviren und einige andere doppelsträngige DNA-Viren schleusen dafür ihr Erbgut in den Zellkern ein. Dort bringen sie die zelleigenen Enzyme dazu, Teile der Viren-DNA abzulesen und daraus Messenger-RNAs zu erzeugen. Diese werden aus dem Zellkern zu den Ribosomen gebracht, die daraus virale Enzyme produzieren.

Nun folgt der zweite Schritt: Mithilfe dieser Enzyme übernimmt das Virus nun die Zelle komplett und wandelt sie in eine Virenfabrik um. Im Zellkern werden nun in schneller Folge immer neue Kopien des Virenerbguts synthetisiert, gleichzeitig entstehen an den Ribosomen die Proteine für das Kapsid und die Virenhülle. Im letzten Schritt werden Erbgut und Kapside der neuen Viren miteinander verbunden und beim Knospen durch die Zellmembran mit der Virenhülle umgeben. Das Resultat sind Unmengen neuer Viren und eine zerstörte, tote Zelle.

Coronaviren: Vermehrung mit eigener RNA-Fabrik

Etwas anders läuft die Vermehrung beim Coronavirus ab. Denn sein Erbgut besteht nicht aus DNA, sondern aus einem einzelnen positiven RNA-Strang – was für die Übernahme der Zellmaschinerie Vor- und Nachteile hat. Der Nachteil: Unsere Zellmaschinerie ist nicht darauf ausgelegt, RNA zu vervielfältigen, weil unser Genom als DNA vorliegt. Die RNA dient nur dazu, den genetischen Code aus dem Zellkern zu den Ribosomen zu bringen. Ein Kopieren von RNA in RNA ist dabei nicht vorgesehen. Das Coronavirus muss daher erst einmal seine eigene Vervielfältigungs-Einheit in der Zelle installieren.

Der Vorteil jedoch: Wenn das Virus in die Zelle eingedrungen ist, kann ein Teil seines RNA-Strangs direkt zu den Ribosomen wandern und dort ohne weitere Änderungen abgelesen werden. Die Ribosomen produzieren daraus zunächst einen langen Proteinstrang, der dann durch die ebenfalls hergestellte Hauptprotease in seine funktionalen Einheiten zerteilt wird.

Daraus entsteht die Replikationsmaschinerie – die Zelle wird nun zu einer Fabrik für neue Coronaviren. Dabei transkribiert ein virales Enzym, eine Polymerase, zunächst den ursprünglichen RNA-Strang des Virus und erzeugt sein komplementäres Gegenstück. Dieser negative RNA-Strang dient nun als Transkriptions-Schablone für die Produktion großer Mengen neuer positiver RNA-Stränge – dem Erbgut der neu entstehenden Viren. Parallel dazu wird ein kleiner Abschnitt des negativen RNA-Strangs von den Ribosomen abgelesen und die Proteine des Kapsids und der neuen Virenhülle entstehen.

Kopierfehler machen RNA-Viren anpassungsfähiger

Nach diesem Muster vermehren sich nicht nur die Coronaviren, sondern auch alle anderen positiven Einzelstrang-RNA-Viren. Unter ihnen sind besonders viele Verursacher sich schnell verbreitender Infektionskrankheiten, darunter Dengue, Gelbfieber, Chikungunya, Zika und West-Nil-Virus, aber auch Rhinoviren, Röteln, das Poliovirus oder der Erreger der Maul-und-Klauen-Seuche bei Tieren. Generell gelten RNA-Viren als die wahrscheinlichsten Kandidaten für neu auftretende Zoonosen und Pandemien.

Das ist kein Zufall: Weil die RNA-Viren nicht die normale Replikationsmaschinerie der Zelle nutzen können, fehlen ihnen die Kontroll- und Korrekturmechanismen, die Kopierfehler verhindern. Als Folge schleichen sich bei der Produktion neuer Viren-RNA weit mehr Fehler ein als bei der Zellteilung oder bei DNA-Viren.

Das aber bedeutet: RNA-Viren mutieren weitaus schneller als andere Erreger – und können dadurch auch schneller weiterentwickeln. „Das ist ein wichtiger Faktor, der Viren dabei hilft, sich an schwierige Bedingungen anzupassen, darunter auch an die körpereigene Immunabwehr oder antivirale Medikamente“, erklärt Vadum Agol vom Belozersky Forschungsinstitut in Russland. Auch an neue Wirte und deren zelluläre Andockstellen können sich RNA-Viren so schnell anpassen. Beim Coronavirus beispielsweise betreffen die Mutationen besonders oft das Spike-Protein und damit die Bindungsstelle an die Wirtszellen. „Deshalb sind Coronaviren so gut darin, von einer Art zur anderen überzuspringen“, erklärt die Virologin Christine Tait-Burkard von der University of Edinburgh.