Wie mutieren Viren? » Wissenschafts-ABC

Viren mutieren durch verschiedene biologische Prozesse, wie z. B. Replikationsfehler, die Interaktion des Virus mit dem Wirt und externe Mutagene wie UV-Strahlen.

Alpha, Delta, Epsilon, Lambda, Omicron … und noch viele mehr! Wenn ich diese Namen höre, bekomme ich Alpträume. In den letzten zwei Jahren tauchte alle paar Monate ein neuer Name für eine neue COVID-19-Variante im Fernsehen auf.

Das liegt daran, dass sich das Coronavirus ständig weiterentwickelt. Es ist jedoch nicht nur das Coronavirus, das sich verändert; alle viren verändern sich, auch unser guter alter grippevirus, weswegen die CDC empfiehlt alle 6 Monate eine Grippeschutzimpfung.

Diese viralen Veränderungen stammen von Mutationen. Sie sind normal und wir können sie nicht vermeiden, daher ist es wichtig zu verstehen, wie sie entstehen.

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Was sind Mutationen?

Wenn Sie jemals Computercode geschrieben haben, wissen Sie, dass selbst die kleinsten Änderungen im Code das Programm erheblich verändern können. Ähnlich, DNS Mutationen sind Veränderungen in unserem biologischen Code.

Mutationen sind im Grunde genetische Veränderungen. Unser genetischer Bauplan, die DNA, besteht aus vier stickstoffhaltigen Basen; Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Es gibt auch Uracil (U), das in RNA anstelle von Thymin verwendet wird.

A-, T-, C- und G-Basen werden in bestimmten Sequenzen zusammengesetzt, um DNA/RNA herzustellen. Jede unerwünschte Veränderung in der Sequenz wird als Mutation bezeichnet. Wenn die Blaupause anders ist, wird auch das Endprodukt anders sein. Eine Veränderung in der DNA-Sequenz, die Informationen enthält – a Gen – Wille wirkt sich auf den Phänotyp aus, also zum Beispiel auf die Eigenschaften, die wir körperlich zeigen. Eine Veränderung des Gens für die Augenfarbe kann zu blauen statt braunen Augen führen.

Genetische Erkrankungen wie Sichelzellenanämie, eine Bluterkrankung, die durch falsch geformte rote Blutkörperchen verursacht wird, sind auf eine Veränderung einer einzelnen Base zurückzuführen.

Das Mutation im β-Globin, das die Sichelzellenanämie verursacht. (Bildnachweis: Ody_Stocker/Shutterstock)

Allerdings machen uns nicht alle Mutationen nutzlos, gefährdet oder tot. Einige können tatsächlich nützlich sein, aber die meisten haben weder einen positiven noch einen negativen Effekt. Einige Mutationen verursachen nicht einmal irgendwelche Veränderungen, dh stille Mutationen.

Verschiedene DNA-Mutationen. (Bildnachweis: Soleil Nordic/Shutterstock)

Genetische Mutationen sind in jedem Organismus möglich, der über DNA/RNA verfügt. Nun zurück zur eigentlichen Hauptfrage.

Wie mutieren Viren?

Viele natürlich vorkommende Ereignisse können das genetische Material eines Virus verändern.

Replikationsfehler

Das Genom eines Virus besteht aus dem gesamten genetischen Material, das es in Form von Basenpaaren besitzt. Im Wesentlichen ist dies die gesamte Bibliothek für alle Gene und ihre Anweisungen für Lebewesen.

Das Genom eines Virus ist nichts im Vergleich zu dem einer menschlichen Zelle (3,2 Milliarden Basenpaare), aber es kann immer noch Tausende von Basenpaaren lang sein. Das genomische Material des Virus, ob DNA oder RNA, wird durch Replikationsenzyme, hauptsächlich virale Polymerasen, kopiert und eingefügt.

Viren fehlen einige der Werkzeuge, die sie benötigen, um ihr genetisches Material zu replizieren. So infizieren sie Wirtszellen, entführen ihre Replikationsmaschinerie und verwenden sie, um ihr Genom zu replizieren. Jedes Mal, wenn ein Virus eine Zelle infiziert und sich dupliziert, ist das ein Replikationszyklus. Jedes Mal, wenn ein Virus mehr Zellen infiziert und mehr Kopien von sich selbst erstellt, repliziert es sein genetisches Material.

Wie ein Virus eine menschliche Zelle infiziert. (Bildnachweis: Naeblys/Shutterstock)

Das ist zwar der Plan, aber nichts ist wirklich fehlerfrei. Jedes Mal, wenn ein Virus versucht, Kopien seines genetischen Codes zu erstellen, besteht eine größere Fehlerwahrscheinlichkeit. Es ist vergleichbar mit dem Erstellen von Fotokopien eines Dokuments. Wenn Sie von einem Dokument drei Kopien erstellen, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die Kopien fehlerfrei sind. Wenn Sie andererseits Tausende von Fotokopien erstellen, werden Sie feststellen, dass auf einigen Seiten Zeilen fehlen oder die Tinte verschmiert ist, weil sich das Xerox-Gerät aufheizt und nicht mehr mit Höchstleistung arbeitet.

Ebenso können Replikationsenzyme der DNA/RNA-Sequenz falsche Basenpaare hinzufügen. Mit jedem wachsenden Replikationszyklus wird die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers Zunahme. Viren infizieren Zellen und machen Tausende von Kopien, daher sind die Chancen auf eventuelle Mutationen hoch. Die Mutationsrate variiert auch je nach genetischem Material.

Einige DNA-Viren tragen DNA-Reparaturproteine, während RNA-Viren normalerweise kleiner sind und keine solchen Reparaturwerkzeuge haben. Ein weiterer Faktor ist, dass RNA-Viren vorhanden sind Fehleranfällige Polymerasen, im Vergleich zu DNA-Viren. Die sehr großen RNA-Viren haben Korrekturlesemöglichkeiten. Diese Korrekturleseenzyme können die RNA-Sequenz überprüfen, um festzustellen, ob falsche Basenpaare hinzugefügt wurden. Dies ist das genetische Äquivalent zur Überprüfung auf Tippfehler. Diese Korrekturlesemoleküle können jedoch auch Fehler falsch beheben.

Aufgrund dieser Eigenschaften RNA-Viren mutieren eher als DNA-Viren.

Virus-Host-Interaktionen

Wenn ein Virus einen Host infiziert, wird der Host Immunsystem wehrt sich, um sich zu schützen. Dies geschieht unter anderem durch die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS). Sie sind hochreaktive und toxische Moleküle, die in der Lage sind, das virale Erbmaterial zu schädigen und Mutationen zu verursachen.

Einige Wirte, wie Menschen, haben bestimmte Enzyme genannt Desaminasen. Diese Enzyme halten den Pool an stickstoffhaltigen Basen (A, T/U, G und C) aufrecht. Sie können ihre Verfügbarkeit verringern, sodass ihnen bei einer Virusinfektion die Rohstoffe fehlen, die zur Replikation des Genoms erforderlich sind.

Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass ein Virus eine menschliche Zelle infiziert. Die Zelle hat Cytidin-Deaminase, die den Pool der DNA-Basen T und C aufrechterhält. Wenn das Virus entweder T oder C in seine Gensequenz einfügen muss, wenn es versucht, neue Kopien zu erstellen, wird es nicht genug geben. Die Polymerase wird keine andere Wahl haben, als ein anderes Basenpaar hinzuzufügen. Dies erzwingt falsche Nukleotidzusätze zur Genomsequenz und verursacht Mutationen. Es ist vergleichbar mit einem Drucker, der ohne farbige Tinte läuft. Es wird immer noch gedruckt, aber die Farbe wird nicht die beabsichtigte sein.

Manchmal, wenn der Wirt wirklich Pech hat, können zwei oder mehr Viren ihn gleichzeitig infizieren. Wenn sie den Wirt infizieren und versuchen, weitere DNA/RNA-Kopien anzufertigen, werden die Viren kombinieren und teilen genetische Informationen, was weitere Mutationen verursacht.

Ultraviolette Strahlung

In der Umwelt schwebende Viren werden den ultravioletten (UV) Strahlen der Sonne ausgesetzt. UV-Strahlen sind dafür bekannt, genetisches Material zu schädigen. Da Viren UV-Strahlen ausgesetzt sind, ihre Mutationsrate steigt.

Nicht alle Viren sind gleichermaßen anfällig für Mutationen durch UV-Strahlen. Sie hängt von ihrem genetischen Material (DNA oder RNA) und der sie umgebenden schützenden Proteinhülle ab.

Werden Viren jemals aufhören zu mutieren?

Nein, Viren hören nicht auf zu mutieren. Dies sind jedoch nicht nur Viren … das Leben als Ganzes wird nicht aufhören zu mutieren, da Mutationen ein wichtiger Weg sind, auf dem sich das Leben entwickelt.

Mutationen sind ein Lotteriesystem für das Genom, weil man nicht weiß, ob die Mutation einen Vorteil bringt oder nicht. Wenn eine Mutation schädlich ist, stirbt der Organismus und sein genetisches Material wird nicht übertragen. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit, dass diese Mutation an weitere Generationen weitergegeben wird.

Wenn die Mutation vorteilhaft ist, geht es dem Organismus dadurch wahrscheinlich besser in seiner Umgebung. Das Hauptziel eines Virus ist zu überleben, was er tut, indem er Wirte infiziert und sich vermehrt. Stärkere, effizientere Viren können Hosts besser infizieren, ohne erwischt zu werden, als schwächere.

Wenn ein Virus verschiedene Wirtsarten infizieren kann, erhöht es nur seine Überlebenschancen. Ein Beispiel ist die Coronavirus-Mutation, die es ihm ermöglichte, von der Infektion von Fledermäusen zur Infektion von Menschen überzugehen.

Keine Sorge, es wird nicht ewig dauern.

Keine Angst. Mutationen passieren jeden Tag und sie sind nicht alle schlecht. Immerhin war omicron eine weniger schwere Coronavirus-Mutante, obwohl es sich leicht verbreiten ließ.

Fazit

Genetische Mutationen führen zu neuen Arten. Alle lebenden Organismen mutieren von Zeit zu Zeit. Menschliche DNA mutiert ebenfalls, aber unsere besser ausgestattete DNA-Replikationsmaschinerie unterscheidet uns von Viren. Wir haben bessere DNA-Reparaturmechanismen, die schädliche Mutationen korrigieren, bevor sie sich negativ auswirken können.

Wir können die Abstammungslinie von Viren zurückverfolgen und sie besser verstehen Infektionsmuster durch das Studium viraler Mutationen. Wir können verfolgen, woher Viren stammen und wie sie sich weltweit verbreiten. Aus diesem Grund sequenzieren so viele Labore weltweit weiterhin das Coronavirus bei Patienten, um seinen Verlauf zu verfolgen.

Vorgeschlagene Literatur