SARS-CoV-2 entwickelt sich, nachdem es vom Menschen auf Zootiere übergesprungen ist

SARS-CoV-2 entwickelt sich, nachdem es vom Menschen auf Zootiere übergesprungen ist

Eine detaillierte genomische Untersuchung eines Ausbruchs im Zoo von Denver zeigt, wie sich SARS-CoV-2 nach der Kreuzung von Arten schnell diversifizieren und anpassen kann, und bietet einen seltenen realen Einblick in die Virusentwicklung über den Menschen hinaus.

Studie: Ausbreitung, Diversifizierung und Anpassung der SARS-CoV-2-Population innerhalb des Wirts bei Zootigern, Löwen und Hyänen. Bildnachweis: Wirestock Creators/Shutterstock.com

Eine neue Studie veröffentlicht in Naturkommunikation zeigt die schnelle Entwicklung und Anpassung des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) bei Zootigern, Löwen und Hyänen, die täglich mit Menschen in Kontakt stehen.

Wie Tierinfektionen die Entwicklung und das Risiko von SARS-CoV-2 beeinflussen

Die rasante Entwicklung von SARS-CoV-2 und die Entstehung neuer Varianten haben seit Beginn der Coronavirus-Pandemie 2019 (COVID-19) das öffentliche Bewusstsein für Infektionskrankheiten maßgeblich geprägt.

Neben Menschen infiziert SARS-CoV-2 eine Vielzahl von Haus- und Wildtieren, und dokumentierte Fälle zeigen, dass das Virus in seltenen Fällen von einem tierischen Wirt zurück auf den Menschen übertragen werden kann. Allerdings sind die Faktoren, die die Evolution und Übertragungsdynamik von SARS-CoV-2 bei Tieren vorantreiben, sowie die Ursprünge neuer Virusvarianten, die sowohl Menschen als auch Tiere infizieren, weitgehend unbekannt.

Die Auswahl nützlicher Mutationen, die die virale Fitness steigern, ist der entscheidende Faktor für die virale Evolution innerhalb der Wirtsspezies. Viruspopulationen können nach der Übertragung von einer Wirtsart auf eine andere einem einzigartigen und starken Selektionsdruck ausgesetzt sein. Diese Spillover-Ereignisse können die Entstehung viraler Varianten durch die Auswahl genetischer Mutationen beschleunigen, die die Fitness des Virus im neuen Wirt verbessern.

Um die Auswirkungen des Wirtswechsels auf die Virusentwicklung zu untersuchen, untersuchten Forscher der Colorado State University und ihre Mitarbeiter der Denver Zoo Conservation Alliance, USA, die Entwicklung und wirtsspezifische Anpassung von SARS-CoV-2 bei Tigern, afrikanischen Löwen und Tüpfelhyänen während eines Ausbruchs im Denver Zoo im Jahr 2021.

Genomisches Tracking zeigt schnelle Anpassung nach Zoo-Spillover

Die Forscher sammelten Nasenabstrichproben von zwei Tigern, elf Löwen und drei Hyänen, isolierten virale RNA aus den Proben und führten Next Generation Sequencing (NGS) durch, um die Abstammungslinie von SARS-CoV-2, die Variation innerhalb des Wirts und die genomischen Selektionssignaturen zu identifizieren.

Die Ergebnisse zeigten, dass der Ausbruch im Zoo von Denver wahrscheinlich durch ein einzelnes Übergreifen einer seltenen Delta-Unterlinie ausgelöst wurde, was am ehesten mit der Übertragung von Menschen (Tierpflegern) auf Tiger und dann weiter auf Löwen und Hyänen übereinstimmt.

Über Tierwirte hinweg wurde eine rasche Ausbreitung und Diversifizierung der Viruspopulationen beobachtet. Die Forscher entdeckten außerdem genomische Signaturen sowohl der negativen Selektion (Entfernung schädlicher Mutationen) als auch der positiven Selektion (Selektion vorteilhafter Mutationen) im gesamten Virusgenom sowie vier mögliche artspezifische adaptive Mutationen bei Löwen und Hyänen.

Obwohl bei infizierten Tieren keine besorgniserregenden SARS-CoV-2-Varianten nachgewiesen wurden, wurden im Nukleokapsid-Gen und in Proben von Hyänen einzigartig starke Signaturen positiver Selektion festgestellt, was die kombinierten Auswirkungen von Mutation und Selektion nach einer artübergreifenden Virusübertragung verdeutlicht.

In der Studie wurden vier artspezifische Mutationen entdeckt, darunter A254V im Nukleokapsid-Gen bei Löwen und Hyänen sowie E1724D im offenen Leseraster 1-alpha, T274I im Spike-Protein-Gen und P326L im Nukleokapsid-Gen bei Hyänen. Diese Mutationen wurden beim Menschen selten nachgewiesen und sind nicht mit einer bestimmten Variantenlinie verbunden.

Die Studie ergab insbesondere, dass der Ausbruch im Denver Zoo zwar während eines der Höhepunkte der COVID-19-Pandemie stattfand, die seltene Delta-Linie, die den Ausbruch verursachte, zu diesem Zeitpunkt jedoch mit weniger als 1 % der menschlichen Infektionen in Colorado verbunden war.

Die Seltenheit dieser Abstammungslinie beim Menschen unterstützt außerdem die Annahme, dass der Zoo-Ausbruch durch ein einziges Spillover-Ereignis ausgelöst wurde, höchstwahrscheinlich durch einen infizierten Menschen. Es besteht jedoch weiterhin die Möglichkeit einer mehrfachen unabhängigen Übertragung von Menschen auf Tiere oder einer Virusübertragung zwischen peridomestischen Tieren im Zoo.

Die Studie fand die stärksten genomischen Signaturen einer positiven Selektion im Nukleokapsid-Gen von SARS-CoV-2, das das RNA-bindende Nukleokapsidprotein kodiert, das für die Verpackung des viralen Genoms verantwortlich ist.

Mutationen in diesem Gen wurden bereits in besorgniserregenden SARS-CoV-2-Varianten entdeckt, die Menschen infizieren. Diese Mutationen wurden in experimentellen und epidemiologischen Studien mit einer verbesserten Fitness der Virusreplikation in Verbindung gebracht, was darauf hindeutet, dass Veränderungen in diesem Gen das Überleben und die Übertragbarkeit des Virus in der Wirtsumgebung beeinflussen können.

Eine weitere bemerkenswerte Mutation, die in der Studie entdeckt wurde, war die hyänenspezifische T274I-Mutation im Spike-Gen. Die Mutation könnte eine Anpassung an den hyänenspezifischen viralen Eintrittsrezeptor darstellen. Strukturelle und immunologische Analysen aus Humanstudien legen nahe, dass Substitutionen an dieser Stelle auch zur Immunflucht beitragen könnten. Die funktionelle Konsequenz dieser Mutation bei Hyänen muss jedoch noch ermittelt werden.

Die in der Studie entdeckten Viruspopulationen zeigten im Laufe der Zeit eine schnelle Expansion und Diversifizierung. In der Literatur ist bekannt, dass die Selektionsstärke mit der Ausbreitung einer Viruspopulation zunimmt.

Der Zoo-Ausbruch bietet reale Einblicke in die Virusentwicklung

Insgesamt zeigten die aus den infizierten Tieren isolierten Viruspopulationen eine annähernd gleichmäßige Verteilung sowohl positiver als auch negativer Selektionssignaturen, mit Ausnahme der aus Hyänen isolierten, die eine einzigartig starke positive Selektion zeigten.

Die Forscher gaben an, dass dieser Unterschied mit dem Zeitplan für die Probenentnahme zusammenhängen könnte, da Hyänenproben zu einem späteren Zeitpunkt des Ausbruchs gesammelt wurden und daher im Vergleich zu Proben von Löwen und Tigern möglicherweise später im Verlauf der Infektion entnommen wurden. Diese Ergebnisse unterstreichen die Möglichkeit einer erhöhten SARS-CoV-2-Evolutionsrate bei Hyänen.

Insgesamt liefern die Studienergebnisse einen wertvollen Einblick in die Mechanismen, die der Virusentwicklung innerhalb des Wirts nach der Übertragung zwischen den Arten zugrunde liegen.

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Quellen: