Polarität (Virologie)

Die Polarität einer Nukleinsäure beschreibt in der Virologie das Verhältnis eines einzelsträngigen viralen Genoms zur Leserichtung der späteren messenger-RNA (mRNA), die sich von diesem Genom ableitet.

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Allgemein gilt, dass eine Nukleinsäure, die in 5'→3'-Richtung (der Leserichtung der Ribosomen bei der Translation) die korrekte Abfolge der Basentripletts für das spätere Protein besitzt, als positiv-strängig oder sense (vernünftig, sinnvoll) bezeichnet wird. Bei einer einzelsträngigen (ss, single-stranded) RNA mit positiver Polarität und einer einzelsträngigen DNA mit negativer Polarität entspricht die Basenfolge in 5'→3'-Richtung der späteren mRNA; bei einer ssRNA mit negativer und einer ssDNA mit positiver Polarität ist das Genom komplementär zur mRNA.

Die Unterscheidung der Polarität von Nukleinsäuren ergibt sich aus der Tatsache, dass bei einer doppelsträngigen Nukleinsäure (dsRNA oder dsDNA) jeweils nur ein Strang der Transkription der mRNA dient, hingegen der zweite Strang nur komplementär, sozusagen „spiegelverkehrt auf dem Kopf stehend“ die genetische Information wiedergibt.

Bei Viren unterscheidet man drei Arten der Polarität: die (+)-Polarität (sense), die (−)-Polarität (antisense) und das Vorkommen von (+)- und (−)-Polarität auf ein und demselben Strang (ambisense).

(+)-Polarität (sense)

Bei Viren mit einzelsträngiger (+)ssRNA als Genom entspricht die Abfolge der Basen derjenigen der späteren mRNA. Bei Viren mit (+)ssRNA, die einer mRNA entspricht, wird diese direkt an den Ribosomen zu Protein translatiert (siehe Abbildung). Alle Viren mit einem (+)ssRNA-Genom müssen für eine eigene RNA-abhängige RNA-Polymerase kodieren, die in einem ersten Schritt vom in die Zelle eindringenden RNA-Strang abgelesen werden muss. Die Vermehrung der viralen ssRNA erfolgt über einen komplementären (−)-Strang als Matrize für weitere (+)-Stränge. Bekannte Beispiele für die sehr zahlreichen Viren mit (+)ssRNA sind die Flaviviridae (z.B. das Hepatitis-C-Virus) und die Picornaviridae.

Bei den (seltenen) (+)ssDNA-Viren erfolgt die Synthese der mRNA direkt an diesem Strang, so dass die mRNA dem (+)DNA-Strang komplementär ist. Teilweise wird zuvor der DNA-Einzelstrang durch zelluläre DNA-Polymerasen zu einem Doppelstrang ergänzt. Eine (+)ssDNA findet man bei den Bakteriophagenfamilien Inoviridae und Microviridae (zirkuläre (+)ssDNA), als auch den Pflanzenviren der Nanoviridae (segmentierte (+)ssDNA).

(−)-Polarität (antisense)

Bei einer (−)ssRNA erfolgt stets eine Vervollständigung zu einem RNA-Doppelstrang, dessen neugebildeter komplementärer RNA-Strang der mRNA entspricht und zu Protein translatiert werden kann. Eukaryote Zellen besitzen kein Enzym, dass die Komplementierung einer ssRNA zu einem dsRNA-Strang katalysiert. Daher müssen Viren mit einem (−)ssRNA-Genom stets mindestens ein Molekül einer viralen RNA-Polymerase in ihrem Virion eingebaut haben, dass dann am Beginn der Virusvermehrung in der Zelle die virale Protein- und RNA-Synthese einleiten kann. Viren mit negativsträngiger ssRNA machen die Mehrheit aller Virusspezies aus. Zu ihnen gehören Viren aus der Ordnung Mononegavirales (die ihren Namensteil -nega der Negativität des nicht-segmentierten Genoms verdanken), sowie die Familie der Orthomyxoviridae (z.B. die Gattungen Influenzavirus).

Bei (−)ssDNA-Viren entspricht die Basenfolge der mRNA. Der (−)ssDNA-Strang wird von zellulären DNA-Polymerasen zu einem Doppelstrang komplettiert, und vom neuen komplementären DNA-Strang die mRNA transkribiert. Ein (−)ssDNA-Genom findet sich bei den Geminiviridae (zirkuläre (−)ssDNA, Pflanzenviren) und den Circoviridae (zirkuläre (−)ssDNA, Vertebratenviren).

(+/−)-Polarität (ambisense)

Eine besondere Mischform eines sense- und antisense-Genoms gibt es bei einigen ssRNA- und ssDNA-Viren. Dabei liegen auf einem einzelnen Nukleinsäure-Strang beide Polaritäten vor, was man als ambisense-Polarität oder (+/−)-Polarität bezeichnet. Die verschiedenen Polaritäts-Bereiche werden unabhängig voneinander entsprechend ihrer Leserichtung in mRNA umgeschrieben (antisense-Bereiche) oder können direkt als mRNA fungieren (sense-Bereiche) bzw. entsprechen der mRNA. Die ambisense-Polarität darf nicht mit dem gleichzeitigen oder alternativen Vorliegen von einzelnen (+)- und (−)-Strängen (z.B. bei Parvoviridae) im viralen Genom verwechselt werden. Auch nicht mit dem Vorliegen von offenen Leserahmen in beide Richtungen einer doppelsträngigen Nukleinsäure (z. B. bei den Polyomaviridae).

Viren mit ambisense-ssRNA sind die Arenaviridae (z.B. Lassafieber-Virus) und mit partieller ambisense-Polarität die Bunyaviridae. Eine ambisense ssDNA findet sich in der Gattung Circovirus der Familie Circoviridae.