Duplodnaviria

Duplodnaviria
Illustrierte Beispiele vonVirusteilchenderDuplodnaviria. Von links nach rechts:Caudoviricetes-Morphotypen(Sipho-,Myo-undPodoviren), sowieHerpesvirales.Kapsid blau,Vertex/Schwanz purpur.
Systematik
Klassifikation: Viren Realm: Duplodnaviria
Taxonomische Merkmale
Genom: dsDNA Baltimore: Gruppe 1 Symmetrie: ikosaedrisch
Wissenschaftlicher Name
Duplodnaviria
Links
NCBITaxonomy: 2731341 ICTVTaxon History: 01907118

Duplodnaviriaist einRealmvonViren,der alle doppelsträngigenDNA-Virenumfasst, die für das Hauptkapsidprotein(englischmajor capsid protein,MCP) mit der Bezeichnung HK97 (HK97-MCP)kodieren. Frühere Bezeichnung für diese Gruppe warenHK97-like group,HK97 major capsid protein supermoduleoderHK97-HPnachEscherichia-Phage HK97(offiziellByrnievirus HK97) und ihrem Entdecker Humán Prak (2000).

Die Mitglieder dieses Realm haben auch eine Reihe anderer Proteine gemeinsam, die an der Struktur und dem Aufbau des viralenKapsidsmitikosaedrischerForm beteiligt sind. Außer dem Kapsid mit HK97-MCP selbst, sind das die Portalproteine. Sie bilden die Öffnung des Kapsids, durch das dieDNA(beim Zusammenbau der Virusteilchen) ein- und (bei derInfektionderWirtszelle) austritt. Eine Kapsidreifungsprotease (englischcapsid maturation protease) leert das Innere des Kapsids, bevor virale DNA in die Wirtszelle injiziert wird, und einTerminase-Enzymfügt die virale DNA beim Zusammenbau in das Kapsid ein, um vollständige Viruspartikel (Virionen), zusammenzusetzen.

Im RealmDuplodnaviriagibt es nur ein Subtaxon,dasReichHeunggongvirae.Dieses hat zweiPhyla,die jeweils aus nur einerKlassebestehen (Stand Juli 2022). Die KlasseHerviviricetesist monotypisch in der OrdnungHerpesvirales(Herpesviren im weiteren Sinn, die nurEukaryoteninfizieren). Die KlasseCaudoviricetes(Viren mit Kopf-Schwanz-Struktur, die nurProkaryoten–BakterienundArchaeen– infizieren, sog.Phagen) bestand ursprünglich auch nur aus einer Ordnung (Caudovirales). Diese wurde aber März/April 2022 durch mehrere kleinere Ordnungen (Crassvirales,Kirjokansivirales,MethanobaviralesundThumleimavirales) ersetzt, der Großteil derCaudoviricetesverblieb zunächst ohne Ordnungszuweisung. Im Ergebnis bedeutet diese Veränderung, dass die ursprüngliche OrdnungCaudoviraleszur im Rang KlasseCaudoviriceteshochgestuft wurde, um dergenomischenDiversitätdieser Viren zu entsprechen.

Caudoviricetessind weltweit allgegenwärtig und sehr vielfältig, weshalb ihre Vertreter möglicherweise zu den ältesten Viren überhaupt gehören. Wahrscheinlich stammen die Herpesviren entweder von einemgemeinsamen Vorfahrenmit denCaudoviricetesab, wenn dieser in seiner Evolution eine Abstammungslinie (Klade) hervorgebracht hat, die Eukaryoten infizieren konnte; oder sie stammen ab von einem divergierenden Zweig innerhalb derCaudoviricetes.

Die verwandtschaftliche Beziehung zwischen den SchwanzvirenCaudoviricetesund den Herpesviren ist seit langem bekannt. DasInternational Committee on Taxonomy of Viruses(ICTV)hat diesen Sachverhalt 2019 mit der Anerkennung des RealmDuplodnaviriaRechnung getragen. Der erste Teil des Namens (duplo) kommt aus dem Lateinischen und bedeutetdoppel;der mittlere Teil (dna) bezieht sich auf dieDesoxyribonukleinsäure(DNA), da alle Mitglieder des Realm doppelsträngige DNA-Viren (dsDNA) sind; und der letzte Teil (viria) ist das Suffix für Realm. Als dsDNA-Viren gehören die Mitglieder dieses Realm alle zurBaltimore-GruppeI (dsDNA-Viren).

Die Baltimore-Klassifikation basiert auf der Art und Weise der Erzeugung der viralen Messenger-RNA (mRNA) und häufig zusammen mit der Standard-Virustaxonomieverwendet wird, die auf der Evolutionsgeschichte und damit Verwandtschaftsbeziehungen basiert. In der Virustaxonomie sind Realm die höchste Ebene (Rangstufe), undDuplodnaviriaist einer von derzeit (Stand Juli 2022) fünf solcher Realms; die anderen sindMonodnaviria,Varidnaviria(beide beinhalten auch DNA-Viren) sowie die der große RealmRiboviria(Realm mitRNA-Vireneinschließlich reverstranskribierenderViren wie dieRetroviren) und der sehr kleineRibozyviriaum dasHepatitis-D-Virus.Etliche Virentaxa sind jedoch bisher noch keinem Realm zugeordnet.

Aufbau

VirionenderDuplodnaviria

Alle Viren derDuplodnaviriaweisen einikosaedrischesKapsidauf, das aus einem Hauptkapsidprotein besteht mit einer spezifischen gefalteten Struktur, die als HK97-Faltung bezeichnet wird und nach dem HK97-Hauptkapsidprotein (HK97-MCP) vonEscherichia-Phage HK97benannt ist. Trotz signifikanter Unterschiede innerhalb derDuplodnaviriaist die Grundstruktur des Proteins bei allen Arten in diesem Realm erhalten (konserviert). Andere für Struktur und Zusammenbau der Kapside verantwortliche gemeinsame Proteine umfassen:

• ein Portalprotein, aus dem die Öffnung des Kapsids besteht,
• eine Protease, die das Kapsid entleert, bevor DNA eingefügt wird
• das Terminase-Enzym, das die DNA in das Kapsid einfügt.

Virusreplikation

Nachdem HK97-MCP durch dieRibosomender Wirtszelle synthetisiert wurde, wird das Virus-Kapsid zusammengesetzt, indem die Proteine aneinander binden. Das Innere des Kapsids enthältGerüstproteine(englischscaffold proteins), die die Konstruktion des Kapsids in seiner geometrischen Form (die sog. Assemblierung) steuern. In Abwesenheit separater Gerüstproteine wirkt die Delta-Domäne von HK97-MCP, die zur Innenseite des Kapsids zeigt, ersatzweise als Gerüstprotein.

Danach wird eine zylindrische Öffnung im Kapsid gebildet, die als Ein- und Ausgang für virale DNA dient, und daher als genannt Portal bezeichnet wird. Das Portalentsprichtdaher in der Funktion dem sog.Stargate,wie es bei manchen DNA-Riesenvirenzu finden ist (z. B.Mimivirus). Das Portal wird mit Portalproteinen an einem der 12 Eckpunkte des Kapsids erzeugt. Das Gerüstprotein (ggf. die Delta-Domäne von HK97-MCP) wird von der Innenseite des Kapsids durch eine Kapsid-Reifungs-Protease (englischcapsid maturation protease) entfernt, die auch ein Teil des Gerüstes sein kann. Diese zerstückelt das Gerüstprotein (ggf. also sich selbst) in kleinere Moleküle (Proteolyse), so dass danach ein noch leeres Kapsid übrig bleibt.Bei Herpesviren wird die Protease auch alsAssemblinbezeichnet.

Gleichzeitig mit der Kapsid-Assemblierung erfolgt dieReplikationder viralen DNA, wodurchConcatamere(englischconcatemer) entstehen, d. h. lange DNA-Moleküle, die zahlreiche Kopien des viralen Genoms enthalten. Ein Terminase genanntes Enzym, bestehend aus einer großen und einer kleinen Untereinheit, findet die virale DNA innerhalb der Zelle über ihre kleine Untereinheit, schneidet die Concatamere und erzeugt die Enden desGenoms(genannt Termini, Plural von Terminus). Die Terminase erkennt im Genom ein Verpackungssignal (als spezielle DNA-Sequenz) und schneidet die Nukleinsäure, wodurch ein freies Ende entsteht, an das sie bindet.

Die jetzt an das Concatamer gebundene Terminase, bindet sich danach an das Kapsidportal und beginnt, die DNA von außerhalb des Kapsids nach innen zu verlagern. Dieser Vorgang verbraucht Energie, die vermöge einerATP-Hydrolysedurch die große Untereinheit erzeugt wird. Je mehr DNA in das Kapsid eingefügt wird, desto mehr dehnt sich das Kapsid aus, womit dieses dünner wird und seine Oberfläche nähert sich zunehmend der ikosaedrischen Form an. Sobald sich das Genom vollständig im Inneren befindet, schneidet die Terminase das Concatamer erneut ab und vervollständigt damit den Verpackungsvorgang. Die Terminase löst sich dann vom Portal und wiederholt diesen Vorgang, bis alle DNA-Genome des Concatamers verpackt sind.

Bei den Phagen mit Kopf-Schwanz-Struktur (Caudoviricetes) wird nach der DNA-Verpackung der Schwanz des Virions, der zuvor separat zusammengesetzt wurde, am Portal an das Kapsid gebunden, das bei diesem Virustyp üblicherweise dann als Kopf bezeichnet wird. Bei diesen Viren finde man manchmal auch sog. Dekorations-Proteine, die sich an die Oberfläche des Kapsids anlagern, um die Struktur des Kapsids zu verstärken.

Nachdem das Virion vollständig in der Wirtszelle zusammengebaut ist, verlässt es die Zelle.

• Schwanzbakteriophagen verlassen die Zelle durchLyse,d. h. Aufbrechen der Zellmembran, was zum Zelltod führt.
• Herpesviren treten durch Knospenbildung (englischbudding) aus der Wirtszellmembran heraus, wobei Membranmaterial als virale Hülle verwendet wird, die das Kapsid bedeckt.

Ätiologie

Bei den Schwanzviren führt eine Infektion üblicherweise zum Zelltod des Wirtsbakteriums oder -archaeons. Herpesviren verursachen jedoch eine Vielzahl von Krankheiten in ihren Wirten. Beim Menschen gehören zu den durch Herpesviren verursachten KrankheitenHerpes simplex,WindpockenundGürtelrose(Herpes Zoster),Roseola(Drei-Tage-Fieber) und verschiedene Krebsarten wieLymphom,NasopharynxkarzinomundKaposi-Sarkom. Herpesviren sind auch dafür bekannt, dass sie dem Immunsystem ausweichen und eine latente Infektion verursachen können, die über lange Zeiträume andauert. Beispiele hierfür sind dasVaricella-Zoster-Virus,das typischerweise früh im Leben Windpocken und häufig Jahrzehnte später Gürtelrose verursacht.

Systematik

Der RealmDuplodnaviriabeinhaltet mit Stand Mai 2024 nur ein einziges ReichHeunggongvirae,das in zweiPhylaunterteilt ist, die bis zum Rang der Ordnung monotypisch sind, d. h. jeweils nur eine einzige Ordnung enthalten:

• Realm:Duplodnaviria

• Reich:Heunggongvirae

• Phylum:Peploviricota

• Klasse:Herviviricetes

• Ordnung:Herpesvirales– Herpesviren (im weiteren Sinn) – infizieren nur Tiere, alsoEukaryoten.

• Phylum:Uroviricota

• Klasse:Caudoviricetes– Phagen mit Kopf-Schwanz-Aufbau – infizieren nurArchaeenundBakterien,d. h.Prokaryoten

• Ordnung:Crassvirales
• Ordnung:Juravirales
• Ordnung:Kirjokansivirales
• Ordnung:Magrovirales
• Ordnung:Methanobavirales
• Ordnung:Nakonvirales
• Ordnung:Thumleimavirales
• weitere Vertreter, noch ohne zugewiesene Ordnung

Entwicklungsgeschichte

Phagen mit Kopf-Schwanz-Struktur sind möglicherweise die älteste Virenlinie der Welt:

• sie sind auf der ganzen Erde allgegenwärtig
• sie infizieren nur Prokaryoten – Eukaryoten sind vermutlich erst später aus einem Zweig der (prokaryotischen) Archaeen entstanden, sieheEozyten-Hypothese
• sie haben ein hohes Maß an Diversität.

Die stark divergierenden Virionstrukturen könnten aber auch auf unterschiedliche Ursprünge hinweisen. Der Ursprung derHerpesviralesist unklar, aber es gibt zwei wahrscheinliche Szenarien:

1. DieCaudoviriceteskönnten zu verschiedenen Zeiten Linien hervorgebracht haben, die in der Lage waren, Eukaryoten zu infizieren. Die starke Ähnlichkeit, die dieHerpesviralesmit denCaudoviricetesaufweisen, könnte darauf hinweisen, dass es diese rezente Nachkommen einer solchen Linie sind.
2. Das zweite mögliche Szenario ist, dass dieHerpesviraleseine stark weiterentwickelte ‚Ausreißer‘-Clade aus dem Inneren derCaudoviricetessind. Dies wird dadurch unterstützt, dass einige Untergruppen derCaudoviricetes,wie insbesondere die UnterfamilieTevenvirinae(FamilieStraboviridae,MorphotypMyoviren), eine relativ hohe Ähnlichkeit zu Herpesviren auf Basis bestimmterAminosäuresequenzenihrer Proteine zeigen (Proteom)

Die ATPase-Untereinheit derDuplodnaviria-Terminasen, die Energie zum Verpacken der viralen DNA erzeugt, hat das gleiche allgemeine strukturelle Design einerP-Loop-Faltung (auchWalker-Motifgenannt) wie die Verpackungs-ATPasen von der DJR-Viren des RealmVaridnaviria(englischdouble jelly roll fold); sie sind jedoch ansonsten nicht direkt miteinander verwandt. Während die Viren derDuplodnaviriadie HK97-Faltung für ihre Hauptkapsidproteine verwenden, sind die Hauptkapsidproteine bei denVaridnaviriastattdessen durch vertikale Einzel- oder Doppel-Jelly-Roll-Falten gekennzeichnet.

Literatur

• C. W. Ward:Progress towards a higher taxonomy of viruses.In:Research in Virology.144. Jahrgang,Nr.6,1993,S.419–53,doi:10.1016/S0923-2516(06)80059-2,PMID 8140287,PMC 7135741(freier Volltext).