Warum ist die Delta-Variante so gefährlich? Wie infiziert das Coronavirus Zellen?

Wie Wölfe im Schafspelz besitzen viele Viren Glykane, die ihre äußeren Proteine bedecken und sie vor dem menschlichen Immunsystem tarnen. Die computergestützte biophysikalische Chemikerin Rommie Amaro von der University of California in San Diego und ihre Kollegen erstellten anhand struktureller und genetischer Daten die bisher detaillierteste Visualisierung dieser Virushülle. Mithilfe eines Supercomputers gestaltete das Team das Bild Atom für Atom.

Innerhalb einer Stunde nach Veröffentlichung ihrer Simulation auf Twitter am 22. März 2020 kommentierte ein Forscher: Was ist die nackte, unbedeckte Schleife, die oben aus dem Protein herausragt?

Amaro hatte darauf keine Antwort. Doch 10 Minuten nach dem Kommentar antwortete der Strukturbiologe Jason McLellan von der University of Texas in Austin: Die unbedeckte Schleife ist eine rezeptorbindende Domäne, die an Rezeptoren auf menschlichen Zellen bindet und einen der drei Bereiche des Spike-Proteins (Stachel) bildet (RBD = receptor binding domain).

Bildquelle: Strukturbild von Lorenzo Casalino, Univ. California, San Diego; Grafik: Nik Spencer/Nature

In Amaros Simulation ragt die RBD über die Glykanwolke hinaus, während zwei Glykane sie wie der Ständer eines Fahrrads an ihrem Platz halten. Als Amaro die Glykane im Computermodell mutierte, brach die RBD zusammen. McLellan und sein Team entwickelten einen Weg, dasselbe Experiment im Labor durchzuführen, und berichteten bis Juni 2020, dass die Mutation der beiden Glykane die Bindungsfähigkeit des Spike-Proteins an einen menschlichen Zellrezeptor verringerte. McLellan zufolge war diese Rolle bei Coronaviren zuvor unbekannt. Obwohl die Forscher noch keinen Weg haben, die beiden Zucker zu verringern, vermutet Amaro, dies könne die Ansteckungsfähigkeit des Virus reduzieren.

Seit Beginn der Covid-19-Pandemie entwickeln Wissenschaftler ein detailliertes Verständnis davon, wie SARS-CoV-2 Zellen infiziert. Neben dem Infektionsablauf möchten sie bessere Möglichkeiten finden, das Virus mit weiterentwickelten Behandlungen und Impfstoffen aufzuhalten, und herausfinden, warum neue Varianten wie Delta ansteckender sind.

Wie infiziert das Coronavirus Zellen?

Aus 19 Monaten Forschung, gestützt auf langjährige Arbeiten zu Coronaviren, entstand eine detaillierte Beschreibung, wie SARS-CoV-2 menschliche Zellen befällt. Wissenschaftler entdeckten wichtige Anpassungen, die dem Virus helfen, sich mit erstaunlicher Kraft an menschliche Zellen zu heften und sich anschließend darin zu verbergen. Beim Verlassen der Zellen führt SARS-CoV-2 dann einen entscheidenden Vorgang durch, um seine Partikel auf weitere Infektionen menschlicher Zellen vorzubereiten. Dies sind einige der Mittel, durch die sich das Virus so schnell verbreitet und Millionen Menschenleben gefordert hat. Die Virologin Wendy Barclay vom Imperial College in London sagt dazu: „Deshalb ist es so schwer zu kontrollieren.“

Bildquelle: Hui (Ann) Liu, Univ. Utah; Grafik: Nik Spencer/Nature

Mit Stacheln versehen und bereit zur Infektion

Jedes SARS-CoV-2-Virion (Viruspartikel) besitzt eine äußere Oberfläche mit 24 – 40 zufällig angeordneten Spike-Proteinen, die entscheidend für die Verschmelzung mit menschlichen Zellen sind. Bei anderen Viren wie Influenzaviren sind die Fusionsproteine relativ starr. Die Spikes von SARS-CoV-2 sind jedoch laut einer im August 2020 veröffentlichten Arbeit von Martin Beck und Kollegen vom Mac-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt unglaublich flexibel und an drei Punkten verbunden.

Dadurch können sich die Spikes drehen, schwingen und wenden, was ihnen das Abtasten der Zelloberfläche und die Bindung mehrerer Spikes an eine menschliche Zelle erleichtert. Beck sagte, für andere Coronaviren gebe es keine vergleichbaren experimentellen Daten. Weil „die Spike-Proteinsequenzen evolutionär stark konserviert sind“, sei die Annahme eines gemeinsamen Merkmals jedoch plausibel.

Bildquelle: kryoelektronentomografische Aufnahmen von SARS-CoV-2 (Maßstabsbalken: 30 Nanometer). Bildnachweis: B. Turoňová et al./Science

Zu Beginn der Pandemie bestätigten Forscher, dass die RBD der SARS-CoV-2-Spike-Proteine an ein bekanntes Protein binden, das sich auf der Membran der meisten menschlichen Rachen- und Lungenzellen befindet und als ACE2-Rezeptor bezeichnet wird. Dieser Rezeptor ist auch die Andockstelle für SARS-CoV, das Virus, das das schwere akute respiratorische Syndrom (SARS) verursacht. Allerdings bindet das neue Coronavirus (SARS-CoV-2) im Vergleich zu SARS-CoV 2-4-mal stärker an den ACE2-Rezeptor, weil mehrere Veränderungen der RBD die Bindungsstellen des Virus stabilisieren.

Das Variantenproblem

Die besorgniserregenden SARS-CoV-2-Varianten weisen tendenziell Mutationen in der S1-Untereinheit des Spike-Proteins auf, die die RBD enthält und für die Bindung an den ACE2-Rezeptor verantwortlich ist. (Eine zweite Spike-Untereinheit, S2, löst die virale Fusion mit der Wirtszelle aus.)

Die Alpha-Variante enthält beispielsweise 10 Veränderungen in der Spike-Proteinsequenz, wodurch die RBD eher in der „oberen“ Position bleiben. Die Strukturbiologin Priyamvada Acharya, die am Duke Human Vaccine Institute in North Carolina Spike-Mutationen untersucht, sagte: „Dies hilft dem Virus voranzukommen, indem es den Eintritt in Zellen erleichtert“.

Die derzeit weltweit verbreitete Delta-Variante weist mehrere Mutationen in der S1-Untereinheit auf, darunter drei in der RBD. Diese scheinen die Fähigkeit der Delta-Variante zu verbessern, mit ihrer RBD stärker an ACE2 zu binden und dem Immunsystem zu entgehen.

Begrenzter Eintritt

Wenn die Spikes des Virus an ACE2 binden, setzen andere Proteine auf der Wirtszelloberfläche einen Prozess in Gang, der zur Verschmelzung von Virus- und Zellmembran führt. (Abbildung-4: Viruseintritt)

Quelle: Janet Iwasa, Univ. Utah; Grafik: Nik Spencer/Nature

SARS-CoV, das SARS verursachende Virus, nutzt eine von zwei Proteasen der Wirtszelle für den Zelleintritt: TMPRSS2 (tempress two) oder Cathepsin. TMPRSS2 ermöglicht einen schnelleren Eintritt, doch SARS-CoV gelangt stattdessen meist über ein Endosom – ein lipidumhülltes Bläschen – hinein, das auf Cathepsin L angewiesen ist. Nur wenn Virionen auf diesem Weg in Zellen gelangen, können antivirale Proteine sie abfangen.

SARS-CoV-2 unterscheidet sich von SARS-CoV dadurch, dass es TMPRSS2 effizient nutzt, ein Enzym, das in großen Mengen an der Außenseite von Atemwegszellen vorkommt. Zunächst schneidet TMPRSS2 eine Stelle in der S2-Untereinheit des Spike-Proteins. Dadurch wird eine Reihe hydrophober Aminosäuren freigelegt, die sich rasch in die nächstgelegene Membran – die der Wirtszelle – einlagern. Anschließend faltet sich der gestreckte Spike wie ein Reißverschluss auf sich selbst zurück und zwingt Virus- und Zellmembran zur Verschmelzung.

Nachfolgend eine Animation der Verschmelzung von SARS-CoV-2 mit Zellen. Bildnachweis: Janet Iwasa, University of Utah

Das Virus gibt anschließend sein Genom direkt in die Zelle ab. Einer im April veröffentlichten Arbeit von Barclay und Kollegen am Imperial College zufolge infiziert SARS-CoV-2 durch diesen Eintrittsweg schneller als SARS-CoV und entgeht dem Abfangen in Endosomen.

Die Antwort darauf, warum das Malariamittel Plaquenil nicht wirkte

Der schnelle Eintritt des Virus mithilfe von TMPRSS2 erklärt, warum das Malariamittel Chloroquin trotz früher vielversprechender Laborergebnisse in klinischen Studien als Covid-19-Behandlung nicht wirkte. Es stellte sich heraus, dass dabei Zellen verwendet worden waren, die für den endosomalen Eintritt ausschließlich auf Cathepsine angewiesen waren. Barclay erklärte: „Wenn das Virus die menschlichen Atemwege infiziert und sich dort vermehrt, nutzt es keine Endosomen. Deshalb ist Chloroquin, ein endosomenstörendes Medikament, im wirklichen Leben nicht wirksam“.

Die Erkenntnis weist außerdem auf Proteasen als vielversprechende therapeutische Zielstrukturen hin, um Viren daran zu hindern, TMPRSS2, Cathepsin L oder andere Proteasen für den Eintritt in Wirtszellen zu nutzen. Der in Japan zur Behandlung von Pankreatitis zugelassene TMPRSS2-Inhibitor „Camostatmesilat“ blockierte den Viruseintritt in Lungenzellen; in ersten klinischen Studien verbesserten sich die Ergebnisse der Patienten jedoch nicht.

Stefan Pöhlmann, Leiter der Abteilung Infektionsbiologie am Deutschen Primatenzentrum in Göttingen, der Forschungen zur ACE2-Bindung und zum TMPRRS2-Signalweg anführte, sagt: „Meiner Ansicht nach brauchen wir Proteaseinhibitoren als breit wirksame antivirale Mittel, um neue Krankheitsausbrüche zu bekämpfen und künftige Pandemien von Anfang an zu verhindern“.

Tödlicher Wettbewerb

Die nächsten Infektionsschritte sind noch rätselhafter. Die Chemikerin Janet Iwasa von der University of Utah, die eine kommentierte Animation des viralen Lebenszyklus erstellte, sagt: „Nach dem Zelleintritt gibt es noch viel mehr schwarze Kästen. Es gibt mehr Unsicherheit und konkurrierende Hypothesen“.

Coronaviren übernehmen die Zellmaschinerie auf vielfältige Weise. Die Virologin Noam Stern-Ginossar und ihr Team konzentrierten sich auf drei Mechanismen, mit denen SARS-CoV-2 die Umgebung der Wirts-mRNA zu seinem Vorteil unterdrückt. Stern-Ginossar sagt: „Keiner ist für dieses Virus spezifisch, doch die Kombination der Auswirkungen, ihre Geschwindigkeit und ihr Ausmaß machen es einzigartig".

• Zunächst beseitigt das Virus die Konkurrenz: Wenn es in die menschliche Zelle eindringen will, übernimmt Nsp1, das erste fertig translatierte Protein, Wirtsproteine, um alle zellulären mRNAs ohne virale Markierung systematisch abzubauen. Als Stern-Ginossars Team dieselbe Markierung an das Ende einer Wirts-mRNA setzte, wurde diese jedoch nicht abgebaut.
• Zweitens verringert die Infektion die gesamte Proteintranslation in der Zelle um 70%. Nach Arbeiten zweier unterschiedlicher Forschungsteams ist erneut Nsp1 der Hauptverantwortliche. Dieses Mal blockiert es physisch den Eingangskanal der Ribosomen, sodass mRNA nicht hineingelangen kann. Stern-Ginossar sagt, die geringe verbleibende Translationskapazität werde den viralen RNAs vorbehalten.
• Schließlich schaltet das Virus das Alarmsystem der Zelle ab. Dies geschieht auf verschiedene Weise, doch Stern-Ginossars Team beschrieb für SARS-CoV-2 einen eindeutigen Mechanismus: Das Virus verhindert, dass zelluläre mRNA den Zellkern verlässt, darunter auch Anleitungen für Proteine, die das Immunsystem vor der Infektion warnen sollen. Ein zweites Team bestätigte den Befund und verwies erneut auf Nsp1: Das Protein scheint die Ausgangskanäle im Zellkern zusammenzudrücken, sodass nichts entkommen kann. Da die Gentranskripte den Zellkern nicht verlassen, sondern infizierte Zellen die meisten Interferone nicht ab – Interferone sind Signalproteine, die das Immunsystem auf die Anwesenheit eines Virus aufmerksam machen. SARS-CoV-2 ist besonders wirksam darin, dieses Alarmsystem auszuschalten: Im Vergleich zu anderen Atemwegsviren einschließlich SARS-CoV und dem respiratorischen Synzytialvirus (RSV) führt eine SARS-CoV-2-Infektion zu deutlich niedrigeren Interferonwerten. Im Juni 2021 berichteten Forscher über Mutationen der Alpha-Variante, die die Interferonproduktion noch effizienter unterdrücken.

Stern-Ginossar sagt: „Es ist eindeutig, dass SARS-CoV-2 ein sehr schnelles Virus mit der einzigartigen Fähigkeit ist, unser Immunsystem daran zu hindern, die Infektion zu erkennen und sie in ihren frühen Stadien zu bekämpfen.“ Wenn das Immunsystem das Virus bemerkt, sind bereits so viele Viren vorhanden, dass Proteine der Immunantwort manchmal schneller als gewöhnlich in den Blutkreislauf gelangen – was schädlich sein kann. Schon zu Beginn der Pandemie wurde erkannt, dass schwer an Covid-19 Erkrankte neben dem Virus auch durch eine überaktive Immunreaktion auf SARS-CoV-2 geschädigt wurden. Einige nachweislich wirksame Behandlungen wirken, indem sie diese Immunreaktion dämpfen.

Umbauwerkstatt

Nachdem das Virus die Translation des Wirts übernommen hat, beginnt es mit Veränderungen und gestaltet das Innere und Äußere der Zelle umfassend nach seinen Bedürfnissen um.

Zunächst gelangen einige neu gebildete virale Spike-Proteine an die Zelloberfläche und ragen aus der Wirtszellmembran heraus. Dort aktivieren sie einen Kalziumionenkanal des Wirts, der an der Außenseite der Zelle eine Fetthülle entstehen lässt – dieselbe Hülle findet sich auch bei natürlich verschmelzenden Zellen wie Muskelzellen. Nun verschmilzt die infizierte Zelle mit benachbarten ACE2-exprimierenden Zellen zu großen einzelnen Atemwegszellen mit bis zu 20 Zellkernen.

Verschmolzene Zellstrukturen (Synzytien) in Zellen, die das SARS-CoV-2-Spike-Protein (grün) exprimieren. Die Zellkerne sind blau, das Zellskelett rot. Bildnachweis: Mauro Giacca

Am 18. April veröffentlichten der Molekularbiologe Mauro Giacca vom King's College in London und sein Team einen neuen Befund: Diese Synzytien genannten verschmolzenen Strukturen werden durch Virusinfektionen wie HIV und Herpes-simplex-Viren ausgelöst, nicht jedoch durch das SARS-Virus. Giacca vermutet, dass die Bildung von Synzytien infizierten Zellen ein langes Fortbestehen ermöglicht, wobei sie immer mehr Virionen verbreiten. „Dies ist kein Hit-and-run-Virus; es bleibt“, sagt er. Qiang Sun und sein Team von der Chinesischen Akademie der Medizinischen Wissenschaften in Peking fanden dagegen heraus, dass einige mit Covid-19 infizierte Zellen mit Lymphozyten – einer Art körpereigener Immunzellen – Synzytien bilden. Dies ist ein von Tumorzellen bekannter Mechanismus der Immunflucht, nicht von Viren. Vermutet wird, dass infizierte Zellen der Immunerkennung entgehen, indem sie sich an benachbarte Immunwächter heften und mit ihnen verschmelzen.

Proteine, die an der Bildung von DMV beteiligt sind, könnten gute Arzneimittelziele sein, da sie für die Virusreplikation benötigt werden. Beispielsweise wird das Wirtsprotein TMEM41B benötigt, um Cholesterin und andere Lipide zur Vergrößerung der ER-Membranen zu mobilisieren, sodass alle Virusbestandteile hineinpassen. Vineet Menachery, ein an der Arbeit beteiligter Coronavirusforscher der medizinischen Fakultät in Galveston, Texas, sagt: „Wenn man TMEM41B entfernt, hat das große Auswirkungen auf die Infektion.“ Auch das Coronavirus-Transmembranprotein Nsp3 könnte ein Ziel sein: Es bildet eine kronenartige Pore in den DMV-Wänden, durch die neu gebildete virale RNA nach außen gelangt.

Die meisten Viren mit einer äußeren, als Envelope bezeichneten Hülle bilden diese, indem sie sich unmittelbar am Zellrand zusammensetzen und beim Austritt einen Teil der zelleigenen Plasmamembran übernehmen. Neu gebildete Coronavirusproteine nehmen jedoch einen anderen Weg.

Seit Jahren wird angenommen, dass Coronaviren über den Golgi-Komplex aus der Zelle transportiert werden. Dieses Organell arbeitet wie ein Postbote, verpackt Moleküle in Membranen und sendet sie in andere Zellbereiche. Dort bildet das Virus aus der Golgi-Membran eine Lipidhülle. Die Virologin und Zellbiologin Carolyn Machamer, die an der Johns Hopkins University in Maryland seit 30 Jahren Coronaviren untersucht, sagt, die neu entstandenen Virionen würden anschließend in Golgi-Vesikeln zur Zelloberfläche transportiert und dort freigesetzt.

Im Dezember berichteten jedoch die Zellbiologin Nihal Altan-Bonnet vom US-amerikanischen National Heart, Lung, and Blood Institute in Bethesda, Maryland, und ihre Kollegen, sie hätten Coronaviren beobachtet, die die Zelle über Lysosomen verlassen – zelluläre Abfalleimer voller Enzyme zum Abbau von Zellbestandteilen. Altan-Bonnet sagt, die Blockade des Golgi-basierten Sekretionswegs beeinflusse die Menge freigesetzter infektiöser Viren nicht. Die Befunde des Teams zeigen, dass Virusproteine durch Knospung in das ER eine Hülle bilden und anschließend Lysosomen für den Zellaustritt übernehmen. Derzeit testen die Forscher Hemmstoffe des lysosomalen Austritts als potenzielle antivirale Kandidaten.

Der Austritt über Golgi-Komplex oder Lysosomen ist im Vergleich zur Knospung an der Plasmamembran langsam und ineffizient; deshalb wissen Wissenschaftler nicht, warum SARS-CoV-2 diesen Weg nutzt. Machamer vermutet, die Lipidzusammensetzung einer vom Golgi-Komplex oder Lysosom stammenden Hülle sei für das Virus in irgendeiner Weise günstiger als die der Plasmamembran. „Wenn wir diesen Teil etwas besser verstünden, ergäben sich große Möglichkeiten für neue antivirale Therapien“, sagt sie.

Der Abschluss

Beim Verlassen der Zelle macht noch ein weiterer Vorgang dieses Virus infektiös: Ein schneller Schnitt in einem Bereich aus fünf Aminosäuren bereitet es auf den Angriff auf sein nächstes Ziel vor.

Während andere Coronaviren am Übergang zwischen den Spike-Untereinheiten S1 und S2 eine einzelne Arginin-Aminosäure besitzen, hat SARS-CoV-2 eine Sequenz aus fünf Aminosäuren: Prolin, Arginin, Arginin, Alanin und Arginin. Pöhlmann sagte: „Wir konzentrierten uns auf diese Stelle, weil sie ungewöhnlich war, und tatsächlich erwies sie sich als notwendig für das Eindringen in Lungenzellen.“ Im Mai 2020 berichtete er mit Kollegen, dass ein Wirtszellprotein namens Furin diese Aminosäuresequenz erkennt und schneidet – und dass dieser Schnitt für den effizienten Eintritt des Virus in menschliche Lungenzellen „notwendig“ ist.

Es ist nicht das erste Mal, dass Forscher eine Furin-Spaltstelle in einem Virus entdecken; Barclay zufolge besitzen auch hochpathogene Vogelgrippeviren eine solche. Als ein Kollege Barclay einen SARS-CoV-2-Stamm schickte, der seine Furin-Spaltstelle in Kultur spontan verloren hatte, stellte ihr Team fest, dass damit infizierte Frettchen weniger Viruspartikel ausschieden als Tiere mit dem pandemischen Stamm und keine benachbarten Tiere ansteckten. Während Barclays Team seine Ergebnisse in einer Vorabveröffentlichung vom September 2020 berichtete, zeigte eine niederländische Untersuchung ebenfalls, dass Coronaviren mit intakter Furin-Spaltstelle schneller in menschliche Atemwegszellen eindringen als solche ohne diese Stelle.

Vermutet wird, dass Furin die Stelle während des Zusammenbaus der Virionen oder unmittelbar vor ihrer Freisetzung schneidet. Der Virologe Tom Gallagher von der Loyola University in Chicago sagt, der Zeitpunkt könne erklären, warum das Virus über Golgi-Komplex oder Lysosomen austritt. „Sobald das Virus zusammengesetzt ist, gelangt es in ein Organell, in dem es in Gegenwart der Furin-Protease gebadet werden kann.“

Gallagher zufolge lockert der Furin-Schnitt die Spike-Proteine des Virions, indem er die Verbindung zwischen S1- und S2-Untereinheit trennt. Dadurch reagieren sie beim Zelleintritt auf einen zweiten Schnitt durch TMPRSS2, der den hydrophoben Bereich freilegt, welcher sich rasch in eine Wirtszellmembran einlagert. Werden die Spikes nicht vorher von Furin geschnitten – was nicht immer geschieht –, umgehen sie TMPRSS2 und treten, sofern verfügbar, über den langsameren endosomalen Weg ein.

Zwei Coronavirusvarianten, Alpha und Delta, haben veränderte Furin-Spaltstellen. Bei Alpha wird die erste Prolin-Aminosäure durch Histidin ersetzt (P681H), bei Delta durch Arginin (P681R). Barclay sagt, beide Veränderungen machten die Sequenz weniger sauer, und je basischer die Aminosäuresequenz sei, desto effizienter erkenne und schneide Furin sie. „Wir können annehmen, dass das Virus dadurch bei der Übertragung noch wirksamer geworden ist.“

Mehr Furin-Schnitte bedeuten mehr Spike-Proteine, die zum Eintritt in menschliche Zellen vorbereitet sind. Obwohl Menachery und sein Team die Studie, in der sie vorbereitete Spike-Proteine zählen, noch nicht veröffentlicht haben, sagt er, bei SARS-CoV seien weniger als 10% der Spikes vorbereitet. Bei SARS-CoV-2 steige der Anteil auf 50%, bei der Alpha-Variante liege er ebenfalls über 50%. Bei der hochansteckenden Delta-Variante fand das Team mehr als 75% der Spikes zum Befall einer menschlichen Zelle bereit.

Bekannte Unbekannte

Die wissenschaftliche Gemeinschaft kratzt beim Verständnis von SARS-CoV-2 noch immer nur an der Oberfläche. MacLellan nennt wichtige Unbekannte: die Zahl der ACE2-Rezeptoren, die zur Bindung jedes Spike-Proteins benötigt werden, den genauen Zeitpunkt der Spaltung des S2-Bereichs durch TMPRSS2 und die für die Verschmelzung von Virus- und Zellmembran nötige Anzahl von Spikes – und all dies betrifft allein den Zelleintritt. Im April 2020 identifizierte ein Team der University of California in San Francisco mindestens 332 Wechselwirkungen zwischen SARS-CoV-2- und menschlichen Proteinen.

Mit einem schnell mutierenden Virus Schritt zu halten ist nicht einfach. Fachleute sind sich einig, dass die meisten bisherigen Mutationen damit zusammenhängen, wie effizient sich das Virus verbreitet, nicht damit, wie stark es den Wirt schädigt. Eine Untersuchung in diesem Monat berichtete, dass die Delta-Variante sich schneller und in höheren Mengen in Lunge und Rachen des Menschen vermehrt als frühere Virusversionen.

Stern-Ginossar sagt jedoch, es sei noch nicht klar, wie die Delta-Mutationen die Variante auf diese Weise stärken. „Das versuchen viele Labore herauszufinden.“

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