Studie entdeckt verborgenen Mechanismus hinter schnellen COVID-Varianten

Das SARS-CoV-2-Virus, das COVID verursacht, hat die beunruhigende Fähigkeit, häufig Varianten seiner selbst zu erzeugen. Auch andere Viren mutieren, aber da sich SARS-CoV-2 während der Pandemie schnell in der gesamten menschlichen Bevölkerung ausbreitete und Millionen Menschen tötete, stellte die dynamische Entwicklung des Virus ein ernstes Problem dar: Sie forderte wiederholt die Immunantwort unseres Körpers im Kampf gegen das Virus und behinderte die Ausbreitung des Virus Prozess der Bereitstellung aktualisierter Impfstoffe.

Das Verständnis des genetischen Mechanismus, der die Fähigkeit von SARS-CoV-2 zur Generierung von Varianten fördert, kann einen großen Beitrag dazu leisten, COVID in Schach zu halten. In dieser Studie veröffentlicht in NaturmikrobiologieForscher des Baylor College of Medicine und kooperierender Institutionen entwickelten eine neue Technologie namens tARC-seq, die einen genetischen Mechanismus aufdeckte, der die Divergenz von SARS-CoV-2 beeinflusst, und es dem Team ermöglichte, die Mutationsrate von SARS-CoV-2 zu berechnen. Mithilfe von tARC-seq erfassten die Forscher im Labor auch neue Mutationen in SARS-CoV-2 in infizierten Zellen, die Beobachtungen aus weltweiten pandemischen Virussequenzierungsdaten zusammenfassten. Die Ergebnisse können für die Überwachung der Virusentwicklung in der menschlichen Bevölkerung nützlich sein.

Das SARS-CoV-2-Virus verwendet RNA anstelle von DNA, um seine genetischen Informationen zu speichern. Unser Labor interessiert sich seit langem für die Erforschung der RNA-Biologie, und als SARS-CoV-2 auftauchte, beschlossen wir, seinen Prozess der RNA-Replikation zu untersuchen, der bei RNA-Viren typischerweise fehleranfällig ist.“

Dr. Christophe Herman, korrespondierender Studienautor und Professor für Molekular- und Humangenetik, Baylor College of Medicine

Die Forscher wollten RNA-Replikationsfehler verfolgen, weil sie für das Verständnis, wie sich das Virus entwickelt, wie es sich verändert und anpasst, während es sich in der menschlichen Bevölkerung ausbreitet, von entscheidender Bedeutung sind. Den aktuellen Methoden fehlte jedoch die Präzision, um insbesondere seltene neue SARS-CoV-2-Mutationen zu erkennen in Proben mit einer geringen Anzahl von Viren, beispielsweise von Patienten.

„Da Proben von Patienten nur sehr wenige SARS-CoV-2-RNA-Kopien enthalten, ist es schwierig, zwischen den Fehlern der SARS-CoV-2-RNA-abhängigen RNA-Polymerase (RdRp), dem Enzym, das Kopien der RNA dieses Virus erstellt, zu unterscheiden. und die Fehler der anderen Enzyme, die in der Sequenzanalyse verwendet wurden“, sagte Herman, Mitglied des Dan L Duncan Comprehensive Cancer Center. „Wir haben eine Technik entwickelt, die wir Targeted Accurate RNA Consensus Sequencing (tARC-seq) nennen und die es uns ermöglicht, echte Fehler beim Kopieren spezifischer RNA zu messen, die in sehr geringen Mengen vorhanden ist.“

Eine neue Perspektive auf die Treiber der SARS-CoV-2-Variantenvielfalt

Ursprünglich war der Gedanke, dass sich das Virus nicht sehr schnell weiterentwickeln oder mutieren sollte, da SARS-CoV-2 über einen internen Mechanismus zur Reparatur der Fehler verfügt, die RdRp macht.

„Diese Idee stand im Gegensatz zu der Tatsache, dass während der Pandemie weltweit häufig neue COVID-Varianten auftauchten“, sagte Herman. „Seit Beginn der Pandemie haben wir eine Reihe prominenter Varianten gesehen, darunter Alpha, Beta, Delta und Omicron, sowie Varianten innerhalb dieser Gruppen.“

Mit ihrem verbesserten Analysetool bestimmten Herman und seine Kollegen genau die Mutationshäufigkeit von SARS-CoV-2 und die Mutationsarten, sowohl in Zellkulturen im Labor als auch in klinischen Proben. „Wir haben festgestellt, dass die Mutationsrate höher war als ursprünglich erwartet, und dies erklärt das häufige Auftreten von COVID-Varianten“, sagte Herman.

Sie entdeckten auch, dass es Hotspots in der SARS-CoV-2-RNA gibt, Orte, die anfälliger für Mutationen sind als andere. „Zum Beispiel haben wir einen Hotspot in der RNA-Region identifiziert, der dem Spike-Protein entspricht, dem Protein, das es dem Virus ermöglicht, in Zellen einzudringen. Außerdem besteht die RNA des Spike-Proteins aus vielen Impfstoffen“, sagte Herman.

Die tARC-seq-Methode ergab auch, dass die Generierung neuer Varianten einen Template-Wechsel beinhaltete. „Wir haben festgestellt, dass RdRp beim Kopieren einer RNA-Vorlage oder -Sequenz zu einer anderen Vorlage auf einem nahegelegenen Virus springt und dann mit dem Kopieren der RNA fortfährt, sodass die resultierende neue RNA-Kopie eine Mischung beider RNA-Vorlagen ist“, sagte Herman. „Dieser Template-Wechsel führt zu Sequenzeinfügungen oder -deletionen, die zu viraler Variabilität führen. Wir haben auch komplexe Mutationen beobachtet. SARS-CoV-2 nutzt diese beiden leistungsstarken biologischen Mechanismen, Template-Wechsel und komplexe Mutationen, die eine schnelle Entwicklung ermöglichen.“ Generierung von Varianten zur Anpassung an und zum Fortbestehen menschlicher Populationen.“

„Es war interessant und aufregend zu sehen, dass tARC-seq es uns ermöglichte, in Laborzellkulturen die Entstehung neuer Mutationen zu erfassen, die die Mutationen rekapitulieren, die mit weltweiten Pandemie-Sequenzierungsdaten beobachtet wurden“, sagte Herman. „Unsere neue Technologie erfasst eine Momentaufnahme neuer Mutationen in klinischen Proben einzelner Patienten und kann für die Überwachung der Virusentwicklung in der menschlichen Bevölkerung nützlich sein.“

Erstautorin Catherine C. Bradley, Chen Wang, Alasdair JE Gordon, Alice X. Wen, Pamela N. Luna, Matthew B. Cooke, Brendan F. Kohrn, Scott R. Kennedy, Vasanthi Avadhanula, Pedro A. Piedra, Olivier Lichtarge, Chad A. Shaw und Shannon E. Ronca sind Mitwirkende an dieser Arbeit. Die Autoren sind mit einer oder mehreren der folgenden Institutionen verbunden: Baylor College of Medicine, University of Washington und Texas Children’s Hospital.

Die Studie wurde durch die National Institutes of Health-Zuschüsse R01GM088653, 3R01AG061105-03S1, 1R21CA259780 und 1R21HG011229 sowie durch den National Science Foundation-Zuschuss DBI-2032904 unterstützt.

Quellen: