Wie entwickelt sich das neuartige Coronavirus zu infektiösen Stämmen? Wissenschaftler enthüllen Faktoren

Eine IIT-Kanpur-Studie hilft zu verstehen, welche Zellkomponenten und Chemikalien dem Virus helfen, sich zu hochinfektiösen dominanten Stämmen zu entwickeln

Das IIT-Team untersuchte, wie die fünf Virusstämme – die ursprüngliche Wuhan-Varietät, D614G, Alpha, Beta und Delta – mit Zellbestandteilen interagierten. | Repräsentatives Foto: iStock

Wir wissen, dass das neuartige Coronavirus SARS-CoV-2 das auf seiner äußeren Hülle vorhandene Spike-Protein nutzt, um in unsere Körperzellen einzudringen. Studien haben gezeigt, dass das Spike-Protein aus zwei Untereinheiten, S1 und S2, besteht. Erstens erkennt S1 die Rezeptoren ACE2 (Angiotensin-Converting-Enzym 2) und NRP1 (Neuropilin-1) auf unserer Zellmembran und rastet mit ihnen ein (wie ein Schlüssel in einem Schloss).

Nach dem Einklinken kommt S2, ein Bündel aus sechs helikalen Proteinen, ins Spiel. Die Proteine ​​in S2 ordnen ihre Struktur neu, dehnen und verlängern sich, um das Ziel zu erreichen – die Membran unserer Körperzelle. Sobald sie die Grenze erreichen, wird ein Segment von S2, das sogenannte Fusionspeptid (ein weiterer Proteinteil), freigesetzt, das als Anker für S2 fungiert, die Virus- und Wirtszellmembranen verschmelzen. Sobald diese Fusion stattfindet, wird ein Weg geschaffen, durch den das virale genetische Material, RNA (Ribonukleinsäure), in die Zelle eindringt, die Zellmaschinerie entführt, um sich zu replizieren, und eine Infektion verursacht.

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Andererseits mutiert das SARS-CoV-2, um sich zu dominanten Stämmen zu entwickeln. Wissenschaftler haben beobachtet, dass im Spike-Protein maximale Mutationen auftreten, die ihm helfen, seine Fähigkeit zu verbessern, besser mit Wirtszellen zu haften und zu verschmelzen. Diese verbesserte Fusionsfähigkeit führte dazu, dass sich D614G im Jahr 2020 als dominanter Stamm mit hohen Übertragungsraten herausstellte. Darüber hinaus entwickelte sich das Virus zu den Stämmen Alpha (Großbritannien), Beta (Südafrika) und Delta (Indien), die jeweils eine neue Pandemiewelle auslösten und die Wirksamkeit der Impfstoffe in Frage stellten.

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Die Wissenslücken

Obwohl Studien Einblicke in die Struktur des Spike-Proteins und Details darüber gegeben haben, wie es an der Zellwand des Wirts haftet, wissen wir immer noch nicht viel über den Fusionsprozess. Reichen beispielsweise nur die Rezeptoren (ACE2 und NRP1) auf unseren Zellen aus, um die Fusion von S2 mit der Zellwand zu erleichtern? Nutzt das Virus andere Zellprozesse oder Zellsubstrukturen und nutzt sie, um die Fusion der Membranen zu fördern? Wo genau findet der Virus einen Eintrag? Wie nutzt das Virus Chemikalien in unseren Zellen zu seinem Vorteil? Und wie verändert das Virus seine Empfindlichkeit gegenüber diesen Zellchemikalien, damit es zu dominanten Varianten wird, die besser mit den Zellen verschmelzen?

Dies sind einige Wissenslücken in unserem Verständnis der sich entwickelnden Virusstämme. Aus Sicht wissenschaftlicher Studien würde die Nachbildung der Spike-Zell-Fusionssequenzprozesse im Labor wissenschaftlichen Studien immens helfen. Die Erkenntnisse würden helfen, bessere Medikamente und Impfstoffe zu entwickeln.

Forscher des Department of Biological Sciences and Bioengineering des Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur) schließen diese Wissenslücke, indem sie eine „Live-Demonstration“ des Spike-Cell-Fusionsprozesses im Labor einrichten. Ihre Studie hilft uns zu verstehen und zu visualisieren, wie die S2-Untereinheit mit den Wirtszellen interagiert und sich für die Fusion verändert. Darüber hinaus zeigen ihre Experimente, welche Zellbestandteile und Chemikalien dem Virus helfen, sich zu hochinfektiösen dominanten Stämmen zu entwickeln.

Aufbau einer Live-Demo

Zellen sind komplexe Maschinen, die aus mehreren kleinen Teilen bestehen, die als Organellen bezeichnet werden und sich innerhalb und auf der Zelloberfläche befinden. Jede Organelle hat spezifische Aufgaben zu erfüllen und zusammengenommen die Zellfunktionen. Beispielsweise sind Rezeptoren Gatekeeper und helfen bei der Bindung an Medikamente oder Hormone; Mitochondrien sind die Energiebank der Zelle; Ribosomen stellen Proteine ​​her; und so weiter. Zellen enthalten auch viele geladene Teilchen oder chemische Ionen, die als Boten dienen, um Signale zwischen Organellen zu übertragen, Enzymreaktionen auszulösen und Informationen zu anderen Zellen zu transportieren.

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Das IIT-Team untersuchte, wie die fünf Virusstämme – die ursprüngliche Wuhan-Varietät, D614G, Alpha, Beta und Delta – mit Zellbestandteilen interagierten. Sie beschlossen, mit synthetischen Zellen, sogenannten Liposomen, zu experimentieren, um echte Zellen nachzuahmen. Liposomen sind Vesikel mit Fettschichten, auf die sie die erforderlichen Rezeptorproteine ​​auftragen könnten, was ihnen die Freiheit gibt, jede Komponente nacheinander und nach Bedarf für Beobachtungen hinzuzufügen. Sie beobachteten die Reaktion des Fusionsprozesses mithilfe fortschrittlicher spektroskopischer Techniken wie Fluoreszenz-De-Quenching, Fluoreszenzanisotropie und FRET-Messungen.

Das Team beschichtete die Liposomen mit ACE2- und NRP1-Rezeptoren und beobachtete, wie die Virusstämme mit ihnen interagierten. Sie stellten fest, dass das Hinzufügen nur dieser beiden Rezeptoren nicht ausreichte, damit die S2-Spike-Untereinheit mit der Wirtszellmembran fusionieren konnte. Dann modifizierten sie das umgebende Medium zwischen dem Virus und dem Vesikel, indem sie den pH-Wert der Lösung veränderten. Der pH-Wert ist ein quantitatives Maß dafür, wie chemisch sauer, alkalisch (basisch) oder neutral eine Lösung ist. Sie bemerkten, dass ein niedriger pH-Wert von etwa 4,6 (ein saures Medium) die Spike-Aktivität verbesserte.

Dann führten die Forscher metallische Ionen von Eisen, Magnesium, Zink und Kalzium in das umgebende Medium ein und stellten fest, ob sie die Fusion erleichterten.

Sie fanden heraus, dass das Spike-Protein nur aktiv war, wenn Calciumionen vorhanden waren, und dass Spike mit zunehmendem Ionenspiegel besser mit der Wirtsmembran verschmelzen konnte. „Calciumionen lösten die Freisetzung des Fusionspeptidsegments von S2 aus, das dabei hilft, die Proteine ​​umzustrukturieren und die Zielmembran zu finden. Infolgedessen änderte S2 schnell seine Struktur und fusionierte mit der Wirtsmembran“, sagt Dr. Dibyendu Das, Hauptautor der Studie. Außerdem gab es eine Spitzenreaktion auf ein bestimmtes Maß an Ionenkonzentration (500 µM – Mikromol, eine Einheit, die die Anzahl der Mole einer Substanz in einer Volumeneinheit angibt).

Überraschenderweise nahm jedoch die Fähigkeit von S2, mit der Zelle zu fusionieren, stark ab, wenn die Calciumionenspiegel darüber hinaus zunahmen.

Dr. Das erklärt: „Das liegt daran, dass S2-Proteine ​​einige Zeit benötigen, um die Zielmembran zu lokalisieren und dann ein Fusionspeptid freizusetzen. Als die Calciumionen über das Optimum hinaus angestiegen waren, lösten sie eine schnelle Reaktion aus und setzten das Fusionsmolekül früher frei.“ Daher kann S2 das Ziel nicht erreichen, und infolgedessen fällt das Ankerpeptid ab, S2 kollabiert zurück und die Fusion wird gehemmt.

Vorteilsvirus

Die Forscher schlossen daraus, dass das Spike-Protein mutiert ist, um ein saures Milieu und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber einer bestimmten Konzentration von Calciumionen in den Zellen zu begünstigen. Die kombinierte Wirkung verstärkt die Fähigkeit des Spike-Proteins, mit Zellen zu verschmelzen, wodurch das Virus hochinfektiös wird. Außerdem fanden sie heraus, dass der Delta-Stamm unter diesen Bedingungen die maximale Fusionsfähigkeit von 90 Prozent aufwies.

Auf die Frage, wie sich diese Beobachtungen auf die reale Zellumgebung beziehen, sagt Dr. Das: „Unsere Körperzellen haben Organellen (Bestandteile), die Lysosomen genannt werden, die auf der Zellmembran vorhanden sind. Sie beseitigen Zellabfälle. Lysosomen haben ein saures Medium und die exakte Menge an Calciumionen (500 µM) für die Fusion. Daher bieten sie einen günstigen Einstiegspunkt für das Virus.“

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Die Forscher führten ein weiteres Experiment in echten Zellen durch. Sie verwendeten ein spezielles Molekül, das die Calciumionenkonzentration in Lysosomen gezielt beeinflusste und störte. Sie stellten fest, dass dies sofort die Fusion von Spike und damit den viralen Eintritt in die Zellen hemmte.

Dr. Das sagt, dass die Ergebnisse den Spielraum für einen effektiven Modus für die Entwicklung von Arzneimitteln oder Impfstoffen bieten. „Wenn wir irgendwie auf die Lysosomen in Körperzellen abzielen und einen Weg finden, die Kalziumionenkanäle in den Lysosomen zu manipulieren, können wir das Eindringen des Virus in die Zellen verhindern.“

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