mini|hochkant=1.5|Ein behülltes Virus aus der Gattung Influenzavirus in einer TEM-Aufnahme: Acht helikale Kapside werden von einer Virushülle umschlossen (Partikel ca. 80–120 nm im Durchmesser).
Die Virushülle () ist eine bei bestimmten Viren vorhandene äußere Struktur, die aus Lipiden einer Phospholipid-Doppelschicht der ursprünglichen Wirtszelle und darin eingelagerten viralen Proteinen besteht. Die Virushülle umschließt meistens ein Kapsid, in das wiederum die virale Nukleinsäure verpackt ist. Je nach Virusart entsteht die Hülle aus der Zellmembran an der Zelloberfläche oder aus Membranen des endoplasmatischen Retikulums (ER) bzw. Golgi-Apparates im Inneren der Zelle.
Das Vorhandensein einer Virushülle ist ein wichtiges Kriterium bei der Einteilung von Viren, der sogenannten Virus-Taxonomie. Dabei werden die behüllten Viren von den unbehüllten oder „nackten“ Viren abgegrenzt. Während unbehüllte Viren die infizierte Zelle stets durch Zerstörung der Wirtszelle verlassen müssen, können behüllte Viren ohne eine solche Lyse durch Knospung () freigesetzt werden. Die Virushülle hat eine große Bedeutung bei der Aufnahme von Viren in die Zelle, der Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen und Desinfektionsmitteln sowie der erleichterten Fähigkeit zur Veränderung der Virusoberfläche. Diese Variabilität durch eine Virushülle ist ein evolutionärer Vorteil gegenüber unbehüllten Viren. Sie ermöglicht behüllten Viren, die Immunabwehr eines Wirtes leichter zu unterlaufen oder sich besser an einen neuen Wirt anzupassen. Deutlich werden diese Eigenschaften der Virushülle beispielsweise daran, dass sämtliche beim Menschen neu auftretenden Viren (Emerging Viruses), die eine reale oder potentielle Gefährdung durch eine Pandemie darstellen, behüllte Viren sind, so z. B. das HI-Virus, SARS-Coronavirus 1 und 2, Influenzavirus, Ebolavirus und West-Nil-Virus.
Entdeckung Die Anfänge der Virologie und die Definition der Viren als neue Art infektiöser Erreger sind mit zwei unbehüllten Viren verknüpft: Dem Tabakmosaikvirus (Dmitri Iwanowski 1892 und Martinus Beijerinck 1898) und dem Maul-und-Klauenseuche-Virus (Friedrich Loeffler und Paul Frosch 1897).Karlheinz Lüdtke: Zur Geschichte der frühen Virusforschung. (PDF; 217 kB), MPI für Wissenschaftsgeschichte, 1999 (Übersicht) Das von Walter Reed 1901 entdeckte Gelbfieber-VirusW. Reed: Recent researches concerning the etiology, propagation and prevention of yellow fever by the United States Army Commission. In: J. Trop. Med., 1901, 5, S. 143–158 war das erste beim Menschen identifizierte Virus und zugleich das erste beschriebene behüllte Virus. Diese Untersuchungen beschränkten sich jedoch auf Übertragungswege, die Morphologie der Viren blieb bis auf die Eigenschaft der besonderen Kleinheit (Unsichtbarkeit im Lichtmikroskop) zunächst unbekannt.
Diese Barriere der ungenügenden mikroskopischen Auflösung konnte erst in den 1930er Jahren mit der Entwicklung des Elektronenmikroskops durch Helmut und Ernst Ruska überwunden werden. Schon die ersten Aufnahmen mit dieser neuen Technik zeigten Umrisse von Viren mit länglicher oder runder Gestalt.B. v. Borries, E. Ruska, H. Ruska: Bakterien und Virus in übermikroskopischer Aufnahme. In: Klin. Wochenschrift, 1938, 17, S. 921–925; ernstruska.digilibrary.de (PDF; 903 kB) Eine Differenzierung der Feinstruktur der Viren und Darstellung der Virushülle war mit den frühen Kontrastfärbungen jedoch noch nicht möglich. Immerhin schlug Helmut Ruska 1943 nach Untersuchung damals vorhandener Virusisolate eine erste Einteilung der Viren nach Größe und Form vor.H. Ruska: Versuch zu einer Ordnung der Virusarten. In: Arch. ges. Virusforsch., 1943, 2, S. 480–498 Bis dahin wurden die Viren nach dem befallenen Wirt und der jeweiligen Erkrankung eingeteilt.
In den 1950er Jahren konnten auch Viren in den von Renato Dulbecco und Harry Eagle entwickelten Zellkulturen gezielt angezüchtet und in großen Mengen vermehrt werden. Durch die Reinheit und Konzentration dieser Viruspräparation wurde die genauere Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und damit des Lipidanteils von Viren möglich. Bis zur Etablierung dieser Technik musste man sich auf die Virusisolierung aus infizierten Wirten oder auf die 1932 entwickelteE. W. Goodpasture, A. M. Woodruff, G. J. Buddingh: Vaccinal infection of the chorio-allantoic membrane of the chick embryo. In: Amer. J. Pathol., 1932, 8, S. 271 und 1946 für die Virusvermehrung verbesserte Anzucht in bebrüteten Hühnereiern beschränken.W. I. B. Beverige, F. M. Burnet: The cultivation of viruses and rickettsiae in the chick embryo. In: Med. Res. Council Spec. Rept. Ser, 1946, S. 256 Einige Viren verloren ihre Fähigkeit, die Hühnerembryonen zu infizieren, wenn man die Viruslösung vorher mit verschiedenen Stoffen behandelte, darunter auch fettlösende Verbindungen wie Ether (Diethylether) oder Detergenzien wie Natriumdesoxycholat.W. B. Dunham, W. J. Macneal: Culture on the Chick Chorio-allantois as a Test of Inactivation of Vaccinia Virus. In: J. Bacteriology, 1942, 44(4), S. 413–424, PMID 16560579 Diese sogenannte „Ether-Empfindlichkeit“ von Viren wurde nur bei einigen Viren wie den Influenzaviren oder den Herpesviren beobachtet, andere wie das Poliovirus oder das Maul-und-Klauenseuche-Virus waren auch nach einer Behandlung mit Ether noch infektiös. Die Ether-Empfindlichkeit wurde so zu einem weiteren wichtigen Kriterium bei der Einteilung von Viren und konnte in den 1950er Jahren auch schon mit dem Nachweis von Lipiden bei gereinigten Viren in Verbindung gebracht werden.M. Uhler, S. Gard: Lipid content of standard and incomplete influenza A virus. In: Nature, 1954, 173(4413), S. 1041–1042, PMID 13165714 Ether-empfindliche Viren wiesen einen Lipidanteil von 20–30 % auf.
mini|TEM-Bild des Herpes-simplex-Virus mit der typischen „Spiegeleiform“ (Partikeldurchmesser ca. 180 nm) mini|Kryo-EM-Darstellung der Virushülle eines Alphavirus (Durchmesser 68 nm) Dass der Lipidanteil der Viren im Zusammenhang mit einer Membranstruktur stehen könnte, wurde damals bereits vermutet. Die Existenz von lipidhaltigen Biomembranen bei Zellen konnte schon durch die Untersuchungen von Gorter und Grendel 1925E. Gorter, F. Grendel: On bimolecular layers of lipoid on the chromocytes of the blood. In: J. Exp. Med., 1925, 41, S. 439–443, jem.org bewiesen werden, und es lag nahe, eine ähnliche Struktur bei lipidhaltigen Viren anzunehmen. Entscheidend war der Beweis, dass die Zusammensetzung der Lipidkomponenten der Viren derjenigen der jeweiligen Wirtszellen ähnelte, in denen die Viren angezüchtet wurden.L. H. Frommhagen, N. K. Freeman, C. A. Knight: The lipid constituents of influenza virus, chick allantoic membrane and sedimentable allantoic protein. In: Virology, 1958, 5(1), S. 173–175, PMID 13519759 Der erste Hinweis auf eine Virushülle in elektronenmikroskopischen Bildern kann im Nachhinein in einer Untersuchung von Coriell 1950 nachverfolgt werden. Er isolierte Herpes-simplex-Viren aus Herpesbläschen. Dabei beobachtete er eine eigenartige, runde Form der Viren mit einer zentralen Aussparung, die er als „Doughnut-ähnlich“ beschrieb.L. L. Coriell, G. Rake et al.: Electron microscopy of herpes simplex. In: J Bacteriol., 1950, 59(1), S. 61–68, PMID 15400321 Heute wird dieses typische Erscheinungsbild der Herpesviren als „Spiegeleiform“ bezeichnet, dies meint ein ikosaedrisches Kapsid im Innern umgeben von einer sehr dicken Virushülle. Erst ab 1959, als ein besonderes Kontrastierungsverfahren mit Uransalzen für die Elektronenmikroskopie entwickelt wurde,S. Brenner, R. W. Horne: A negative staining method for high resolution electron microscopy of viruses. In: Biochim. Biophys. Acta, 1959, 34, S. 103–110, PMID 13804200 stellte sich die Struktur der Viren viel differenzierter dar, so dass auch die Virushülle sichtbar gemacht werden konnte. Noch heute ist diese sogenannte Negativkontrastfärbung die wichtigste Methode zur elektronenmikroskopischen Darstellung von Viren.
Mit der Erforschung der zellulären Membranen in den 1960er und 1970er Jahren ging auch eine Erweiterung des Verständnisses der Virushüllen einher. Dies wurde durch verfeinerte Techniken zur Strukturaufklärung der Hüllproteine wie der Röntgenbeugung, der Gefrierbruch-REMD. Branton: Fracture faces of frozen membranes. In: PNAS, 1966, 55, S. 1048–1056, PMID 5334198 und der NMR-Spektroskopie ermöglicht, aber auch dank neuer Überlegungen über die Eigenschaften von Biomembranen wie dem Flüssig-Mosaik-Modell von Singer und Nicholson.S. J. Singer, G. L. Nicholson: The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. In: Science, 1972, 175, S. 720–731, PMID 4333397 In den letzten zwanzig Jahren lieferte besonders die Kryo-Elektronenmikroskopie entscheidende Einblicke in die Feinstruktur der Virushüllen. Mit dieser Technik ist es möglich, die Form und Anordnung einzelner Hüllproteine zu bestimmen und mit einer fourier-gestützten Bildverarbeitung die Virushülle mit einer Auflösung von 0,6–1 nm darzustellen.
Aufbau der Virushülle Eine Virushülle besteht immer aus viralen Hüllproteinen, die in eine Phospholipid-Doppelschicht eingebettet sind. Die Einlagerung der Hüllproteine in die Membran geschieht bereits während ihrer Synthese an den Ribosomen des rauen endoplasmatischen Retikulums (rER). Entweder kann die Virushülle sich bereits hier aus der Membran des rER bilden oder die mit Hüllproteinen besetzten Membranbereiche werden durch den normalen zellulären Membranfluss zur Zellmembran, Kernmembran oder dem Golgi-Apparat transportiert. Dadurch, dass sich die Hüllproteine beim Prozess der Umhüllung in kleineren Membranflächen konzentrieren und zusammenlagern, werden zelluläre Membranproteine verdrängt, die dann nicht in die Virushülle eingebaut werden. Aufgrund dieser Verdrängung zellulärer Membranproteine besteht die Lipid-Doppelschicht der Virushülle nicht aus unveränderten zellulären Membranen, sondern nur aus deren Lipidanteil.
Der Anteil an eingelagerten Hüllproteinen ist meist so hoch, dass der Lipidanteil an der Oberfläche an keiner Stelle unbedeckt vorliegt. Die Lipidmembran der Virushülle ist daher für Antikörper nicht mehr direkt zugänglich. Bei einigen Viren wie beispielsweise den Hepadnaviridae ist der Proteinanteil der Virushülle so hoch, dass die Virushülle fast ausschließlich aus dicht gepackten Hüllproteinen besteht. Diese sind sehr regelmäßig angeordnet und gegenüber Umwelteinflüssen und Detergenzien resistenter als andere behüllte Viren.
Lipidanteil mini|links|Idealisiert schematische Anordnung der Phospholipide in einer Lipid-Doppelschicht