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(12.10.2020) Durch Mutationen kann sich das Infektionsverhalten von SARS-CoV-2 verändern. Deshalb beobachten Forscher genau, was sich in den RNA-Genomen der Viren tut.
Das neuartige SARS-Coronavirus Nummer 2 ist weltweit unterwegs und sammelt dabei kontinuierlich Mutationen. Nach der blanken Theorie sollte ein Virus im Laufe seiner Existenz immer weniger gefährlich werden und sich somit seinem Wirt umso besser anpassen. „Das ist aber mehr eine Theorie, als dass es dafür wissenschaftliche Beweise gibt“, erklärte Isabella Eckerle von der Universität Genf Ende September in einem ZDF-Interview. Ein Problem sei, dass man keine „Virusfossilien“ habe, also nicht weit in die Evolution von Viren zurückschauen könne. Natürliche Selektion und zufälliger Gendrift beziehungsweise Genshift, aber auch der Zufall oder geografische Gegebenheiten sind Faktoren, die die Verbreitung von Mutationen in den Genomen humanpathogener Viren unterstützen.
Ob und inwieweit sich Mutationen auf die Infektiosität des Virus und dessen Pathogenität auswirken, muss also für jede Genom-Veränderung einzeln untersucht werden. Bevor wir dies jedoch angehen, betrachten wir erst einmal den klinischen/pharmakologischen Aspekt: Was bedeuten Mutationen für die Entwicklung von Impfstoffen und die Wirkung von Antikörpern?
Im Labor von Jesse Bloom am Fred Hutchinson Cancer Resarch Center in Seattle untersuchten die Forscher nicht nur die Bindung von Spike-Mutanten an ACE2-Rezeptoren, sondern auch, wie sich Mutationen auf die Bindung von Antikörpern auswirken (bioRxiv, doi: 10.1101/2020.09.10.292078). Mit einem Hefe-Display-System erzeugten sie fast alle möglichen Austausche von einzelnen Aminosäuren in der 201 Aminosäuren langen Spike-Domäne, die an den ACE2-Rezeptor bindet – konkret 3.804 von 3.819 möglichen Varianten. Mit zehn humanen Antikörpern testeten sie danach das Bindungsverhalten dieser Mutanten. Und tatsächlich fanden sie Mutationen, die die Bindung von Antikörpern verhinderten.
Das Bild ist jedoch komplex: Verschiedene Antikörper, die dieselbe Stelle an der Oberfläche des Spike-Proteins als Antigen erkennen, zeigten unterschiedliches Bindungsverhalten bei derselben Mutation. Solche „Escape Mutations“ sollen gründlich kartiert sowie ganze „Escape Maps“ entwickelt werden, um anhand dieser Daten gezielt einzelne Antikörper oder Antikörper-Cocktails entwickeln zu können – für den Fall, dass sich eine neue Virusvariante mit potenziell höherer Virulenz durchsetzen sollte.
Nun zu den Mutanten, die aktuell in unserer Welt unterwegs sind. Zwei Varianten im SARS-CoV-2-Genom weckten bei den Beobachtern besonderes Interesse: die D614G-Mutation an der Position 23.403 sowie eine größere Deletion an der Grenze der Open Reading Frames ORF7b und ORF8. Was bedeuten diese Veränderungen? Machen sie das Virus gefährlicher, tödlicher? Haben diese Mutationen Einfluss auf die Wirksamkeit der Impfstoffe, die aktuell entwickelt werden?
D614G ist ein Tausch von Alanin zu Glycin in einer Untereinheit des Spike-Proteins. Wie gesagt, ist dieses Protein in Säugetierzellen für die Bindung an den ACE2-Rezeptor nötig. Daher können Mutationen in diesem Protein die Bindungsaffinität und somit die Infektiosität des Virus beeinflussen. D614G begann, sich weltweit „mit alarmierender Geschwindigkeit“ auszubreiten, wie Bette Korber, Spezialistin für HIV-Evolution, und Kollegen vom Los Alamos National Laboratory Anfang Mai in einem in bioRxiv publizierten Preprint-Paper schrieben (bioRxiv, doi 10.1101/2020.04.29.069054). Die Glycin-Variante habe die Alanin-Variante sogar in geografischen Regionen ersetzen können, in denen zunächst die Alanin-Variante vorherrschte. Daraus schlossen die Autoren, dass G614 „besser übertragbar“ sei als D614 und dass die Mutation daher akut besorgniserregend sei. Dieser Beitrag wurde von manchen Medien mit der Aussage „Das Virus wird gefährlicher“ verbreitet.
Allerdings ist die Prävalenz oder Ausbreitung einer Mutation für sich gesehen noch kein Indiz für eine Veränderung hin zu mehr viraler Fitness und höherer Pathogenität. Ob und wie D614G die Eigenschaften des Virus verändert, ist auch aktuell noch nicht geklärt. In vitro vermehrt sich G614 besser als die D614-Variante. Ob das aber auch zu seiner Verbreitung beigetragen hat, ist umstritten.
In Großbritannien sequenzierten Forscher fast 27.000 Isolate und identifizierten dabei viermal häufiger einen G614- als einen D614-Cluster. Auch waren die G614-Cluster zahlenmäßig größer. Auf der Basis von populationsgenetischen Berechnungen glauben Forscher, dass die Mutation die Verbreitung der G614-Variante vorteilhaft unterstützt, jedoch weder Mortalität noch klinische Symptome der infizierten Patienten beeinflusst. Das Paper ist noch im Review-Prozess (medRxiv, doi: 10.1101/2020.07.31.20166082).
Andere Studien unterstützen diesen Befund. Auch Korber und Kollegen haben ihre Interpretation der Daten geändert und den anfänglichen Alarmismus gestrichen (Cell 182: 812-27). In dem mittlerweile veröffentlichten Paper nehmen sie an, dass die Mutation dem Virus einen Fitness-Vorteil verschafft. G614 vermehrte sich bei den untersuchten Patienten anscheinend in den oberen Atemwegen besser und zu höheren Titern – wobei die Betroffenen aber keine stärkeren Symptome zeigten als diejenigen Personen, die mit D614 infiziert waren.
Die Lehren daraus: Höhere Infektionsraten in Zellkulturen müssen nicht die Realität der Pandemie widerspiegeln, eine höhere Konzentration an Virus-RNA in G614-Infizierten muss nicht mit einer höheren Übertragungsrate einhergehen – und höhere Infektiosität ist nicht gleichbedeutend mit höherer Übertragungsrate. Zudem ist nicht bekannt, was bei den asymptomatischen Infizierten passiert, die nie in den Fokus der Forscher gelangten. In einem Kommentar zu diesem Paper heißt es ganz richtig: „Die In-vitro- wie auch die klinischen Daten zeigen klar, dass G614 einen unterschiedlichen Phänotyp hat. Aber es ist nicht klar, ob dies das Resultat einer Bona-fide-Anpassung an den menschlichen ACE2-Rezeptor ist, ob es die Übertragbarkeit steigert oder ob es keinen deutlichen Effekt hat.“ (Cell 182: 794).
Kürzlich wurde in Schweden eine weitere Mutation im Spike-Protein gefunden: ein Austausch von Arginin (R) zu Histidin (H) an Position 23.463 der Virus-RNA (Microbiol. Resour. Announc. 9(35): e00934-20). Diese Aminosäure befindet sich auf der Oberfläche der S1-Untereinheit des Spike-Proteins. Allerdings, so schreiben die Forscher, ändere der Austausch nichts am Bindungsverhalten des Virus an den ACE2-Rezeptor der Wirtszelle. Trotzdem schließen sie einen Einfluss auf die Infektionseffizienz derzeit nicht aus.
Um herauszufinden, ob man überhaupt durch bestimmte Veränderungen im Spike-Protein die SARS-CoV-2-Virulenz steigern kann, testeten die oben erwähnten Forscher vom Fred Hutchinson Cancer Research Center mit ihren knapp viertausend Spike-Versionen jeweils auch die Bindung an den ACE2-Rezeptor (Cell 182: 1295-1310). Die meisten Mutationen zeigten keine oder sogar negative Effekte, manche aber steigerten tatsächlich die Bindeaffinität. Solche Varianten hatte man bereits bei Patienten gefunden, aber Anzeichen für eine positive Selektion fanden die Wissenschaftler nicht.
Die bereits erwähnte 382 Nukleotide lange Deletion an der Grenze der Open Reading Frames ORF7b und ORF8 stellt demgegenüber natürlich eine ungleich größere Veränderung dar. Sie wurde zuerst in Singapur und Taiwan entdeckt. Weitere, allerdings unterschiedlich lange Deletionen im ORF7b/8, konkret zwischen Nukleotid 62 und 345, wurden danach auch in anderen Ländern gefunden (mBio: doi 10.1128/mBio.01610-20). Beeinflussen diese Deletionen womöglich das Verhalten der Viren? Die Ergebnisse einer Nachfolge-Studie aus Singapur deuten darauf hin, dass die Deletion die Infektion milder verlaufen lässt und das Virus somit also womöglich weniger gefährlich ist (The Lancet 396: 603-11).
Spannend in diesem Zusammenhang ist indes ein Fall in Hongkong: Hier hatte ein bereits von COVID-19 genesener Mensch sich ein zweites Mal infiziert. Das Virus, das dessen erste Infektion verursachte, hatte ein Stopp-Codon an Position 64 im ORF8 – das zweite Virus dagegen nicht. Zusätzlich unterschieden sich die beiden Stämme an 23 Nukleotid-Positionen, was zu 13 Aminosäure-Änderungen in neun Proteinen führte (Clin. Infect. Dis., doi: 10.1093/cid/ciaa1275). Man kann sich folglich fragen, ob der ORF8 überhaupt eine wichtige Funktion für den Lebenszyklus des Virus erfüllt – und wenn ja, welche. Bisher weiß man jedenfalls noch nichts darüber.
Generell muss man sich vor Augen halten, dass SARS-CoV-2 ein RNA-Virus ist. RNA-Polymerasen arbeiten „schlampiger“ als DNA-Polymerasen, sie produzieren etwa hundertmal mehr Fehler. Deshalb sind RNA-Viren eher anfällig für Mutationen als DNA-Viren. Trotzdem sind die Genome von SARS-CoV-2 sowie auch ihrer nächsten Verwandten, die im Menschen lediglich Erkältungen verursachen, diesbezüglich vergleichsweise stabil (siehe Cell 181: 990-6). Deren Diversität ist deutlich niedriger als zum Beispiel diejenige von HI-Viren und Influenza-Viren.
Immerhin – und zu unser aller Glück – hat sich bisher keine Variante herauskristallisiert, die einen deutlich schwereren Krankheitsverlauf von COVID-19 begünstigt. Leider ist aber auch noch keine Variante aufgetaucht, die harmlosere Infektionen verursacht. Alle bisher gefundenen Mutationen lokalisierte Isabella Eckerle im „Grundrauschen der Corona-Viren“.
Aber vielleicht muss man nochmals genauer hinschauen. Forscher vom Weizmann Institute of Science in Israel haben gerade erst über die Identifizierung weiterer 23, noch nicht annotierter ORFs im SARS-CoV-2-Genom berichtet (Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2739-1). Wofür sind die eigentlich zuständig?
Ein Dreivierteljahr nach dem Start der Pandemie in China hat die Wissenschaft also noch sehr viele Fragen an das Virus. Was angesichts dieser kurzen Zeit aber auch kaum verwunderlich ist.