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Coronavirus-Biologie: virale RNA-Synthese, Herkunft und Impfstoffe

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Aktuelle Forschung in der Immunologieanalysierten Forscher die Eigenschaften von Coronaviren (CoVs) und neuartigen CoV-Impfstoffkandidaten.

Studie: Natur von Viren und Pandemien: Coronaviren. Bildnachweis: 3DJustincase/Shutterstock
Lernen: Art von Viren und Pandemien: Coronaviren. Bildnachweis: 3DJustincase/Shutterstock

Hintergrund

CoVs sind eine Gruppe von positivsträngigen, umhüllten Ribonukleinsäure (RNA)-Viren, die zur Ordnung der Nidovirales gehören. Es gibt vier Gattungen innerhalb der Unterfamilie Orthocoronavirinae: Beta, Alpha, Delta und GammaCoV. Diese vier Gattungen von Viren können zahlreiche Vögel und Säugetiere, sogar Menschen, infizieren und je nach betroffenem Organ und Gewebe verschiedene klinische Symptome hervorrufen.

Sieben bekannte CoVs können Menschen infizieren. Unter diesen CoVs erzeugen HCoV-OC43, HCoV-229E, HCoV-HUK1 und HCoV-NL63 leichte Infektionen, die mit gewöhnlichen Erkältungen vergleichbar sind. Das Coronavirus des Atemwegssyndroms im Nahen Osten (MERS-CoV), das Coronavirus des schweren akuten Atemwegssyndroms (SARS-CoV) und das SARS-CoV-2 erzeugen dagegen potenziell tödliche schwere Atemwegsinfektionen. Darüber hinaus variieren die Todesraten und die Übertragbarkeit der drei signifikant pathogenen menschlichen CoVs.

Über das Studium

In der aktuellen Übersicht fassten die Forscher die wichtigsten Konzepte der CoV-Biologie zusammen, die sich auf die Etablierung antiviraler Ansätze auswirken, wie etwa die virale RNA-Synthese und -Quelle. Darüber hinaus überprüften sie neue Methoden für CoV-Impfstoffkandidaten auf der Grundlage von RNA-Replikons, die aus CoV generiert wurden.

Replikation, Transkription von CoVs und die Stabilität ihres Genoms

Die CoV-Polyproteine ​​wie Polyprotein 1a (pp1a) werden co- und posttranslational in 16 Nichtstrukturproteine ​​(nsps) umgewandelt. Außerdem sind die meisten CoV-nsps für die Produktion von subgenomischer Boten-RNA (sgmRNA) und die virale Genomreplikation verantwortlich. Während die CoV-Genomreplikation eine kontinuierliche RNA-Synthese erfordert, war die Transkription ein diskontinuierlicher Vorgang während der sgmRNAs-Synthese, was bei RNA-Viren charakteristisch ist.

Die Transkription umfasst einen Matrizenwechsel während der subgenomischen Negativstrang-RNA-Synthese, um eine Kopie der Leader-Sequenz in die sich entwickelnde negative RNA einzubauen. Faktoren wie RNA-RNA-Kontakte höherer Ordnung und Virus- und Zellprotein-RNA-Adhäsion spielen eine Rolle bei der Regulation der CoV-Transkription.

Zusätzlich wird die Variabilität des CoV-RNA-Genoms durch die diskontinuierliche Synthese deutlich erhöht. Darüber hinaus war die Copy-Choice-RNA-Rekombination mit Hochfrequenz- und Ähnlichkeitsunterstützung analog zur CoV-Transkription.

Herkunft menschlicher CoVs

Die drei tödlichen CoVs, die den Menschen betreffen, haben zoonotischen Ursprung, einschließlich SARS-CoV-2. Diese CoVs haben Fledermäuse als natürliches Reservoir, und ein Zwischenwirt überträgt das Virus auf den Menschen. Menschen haben sich bei Kamelen mit MERS-CoV und bei Zibetkatzen mit SARS-CoV infiziert. Darüber hinaus wurde SARS-CoV-2 höchstwahrscheinlich von Waschbären auf Menschen übertragen, da ein Virus mit einer Sequenzähnlichkeit von 99,998 % zu SARS-CoV-2 in den Waschbärexkrementen entdeckt wurde, die in den Metallkäfigen des Huanan-Marktes, Wuhan, gefunden wurden. Die Gefahr des Auftretens neuer pathogener Varianten steigt, wenn das an Tiere angepasste SARS-CoV-2 Menschen infizieren und Artengrenzen überwinden kann, wie es bei Nerzen der Fall war.

MERS-CoV-Impfstoffkandidat basierend auf RNA-Replikon

Das Labor der Autoren hat zuvor CoV-abgeleitete vermehrungsdefekte und replikationskompetente RNA-Replikons als potenzielle Plattformen für die Impfstoffentwicklung entwickelt. Im Vergleich zu herkömmlichen Impfstoffen auf Basis von Boten-RNA (mRNA) wurde bei diesen Replikons eine 60-mal niedrigere RNA-Dosis verwendet.

Die erste Methode zur Generierung von CoV-Genomen wurde durch Klonen einer Kopie der CoV-komplementären Desoxyribonukleinsäure (cDNA) in bakterielle künstliche Chromosomen (BACs) geschaffen. Diese Methode hat sich als entscheidend für die Erzeugung selbstreplizierender RNAs aus CoV-RNA-Genomen durch Deletion einer Gruppe von Genen erwiesen.

Das Team stellte fest, dass virusähnliche Partikel (VLPs), die rekombinante MERS-CoV-ΔE (rMERS-CoV-ΔE)-RNA-Replikons tragen, ohne die Komplementierung des Hüllproteins (E) nicht ansteckend waren. Diese VLPs wurden durch Einfrieren und Auftauen künstlich aus infizierten Zellen befreit und blieben nicht infektiös, was ihre Sicherheit bestätigt. Eine einzige rMERS-CoV-ΔE-Replikon-Immunisierung schützte die hochanfälligen transgenen Mäuse mit Keratin 18-humaner Dipeptidylpeptidase 4 (K18-hDPP4) vor einer tödlichen Virusinfektion.

Das Löschen von etwa fünf separaten Genen in einem Maus-adaptierten Viruskontext (rMERS-MA30-Δ[4a, 3, 4b, E, 5]) verbesserte die Sicherheit des RNA-Replikons auf Basis von rMERS-CoV-ΔE. Die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination mit anderen menschlichen CoVs, wie HCoV-229-E, wurde verringert, indem andere nicht essentielle Gene in der RNA, wie 5 und 3, gelöscht wurden. Das Team entdeckte, dass in hDPP4-knock-in (KI) Mäusen, das rMERS-MA30-Δ[4a, 3, 4b, E, 5] Das Replikon verursachte eine Immunität gegen eine tödliche Dosis des MERS-MA30-Virus und eine fortgeschrittene sterilisierende Immunität mit hohen Konzentrationen an neutralisierenden Antikörpern.

SARS-CoV-2-Impfstoffkandidaten der nächsten Generation, die auf sicheren und effizienten vermehrungsdefekten replikationskompetenten RNA-Replikons basieren

Die Autoren versuchten, Non-Replicase- und Replikase-Gene, die sich in distalen Genomdomänen befinden, vollständig oder teilweise zu löschen, um die Biosicherheit des Replikons mit SARS-CoV-2-Stamm zu erhöhen und die Möglichkeit zu vermeiden, dass ein einziger Rekombinationsvorfall mit zirkulierenden CoVs die Virusvirulenz wiederherstellen könnte und das Verbreitungspotential. Die Generierung von VLPs aus Verpackungszelllinien, die RNA-Replikons mit den für die Replikonvermehrung erforderlichen Proteinen transkomplementieren, war die effektivste Methode zur Herstellung eines SARS-CoV-2-stämmigen RNA-Replikons.

SARS-CoV-2-VLPs boten vollständigen Schutz vor Virusinfektionen, wie die Bewertung der SARS-CoV-2-stämmigen RNA-Replikon-Impfstoffoption bei intranasal immunisierten humanisierten K18-humanen Angiotensin-Converting-Enzym-2 (hACE2)-transgenen Mäusen zeigte. Um die Sicherheit und Wirksamkeit des RNA-Replikon-Impfstoffkandidaten weiter zu verifizieren, bewerteten die Wissenschaftler ihn in nichtmenschlichen Primaten- und Hamstermodellen.

Schlussfolgerungen

Insgesamt stellten die Autoren im vorliegenden Manuskript fest, dass CoVs die breitesten Genome unter RNA-Viren besitzen und eine erhebliche Menge an Daten speichern können, ohne ihre Genome zu integrieren, während sie sich im Zytoplasma der Zelle replizieren. Die Transkription der CoV-sgmRNAs, die einen Matrizenwechsel beinhaltet und eine Hochfrequenz-Rekombinationsstrategie nachahmt, die die Variabilität des Virusgenoms fördern könnte, war im Gegensatz zur kontinuierlichen Virusreplikation ein diskontinuierliches Verfahren.

Die drei tödlichen menschlichen CoVs, MERS-CoV, SARS-CoV-2 und SARS-CoV, sind durch zoonotische Übertragung entstanden. Das Spike (S)-Protein von SARS-CoV-2 enthält einen Furin-proteolytischen Bereich, der die Virusaktivierung in jedem Gewebe erleichtert, wodurch dieser CoV-Stamm im Wesentlichen pathogen und polytropisch ist.

Durch die Eliminierung des E-Protein-Gens, das für Virulenz und lebenswichtige virale Morphogenese erforderlich ist, und der akzessorischen Gene 4a, 3, 5 und 4b, die für den Antagonismus der angeborenen Immunität verantwortlich sind, wurde ein vermehrungsdefizientes RNA-Replikon unter Verwendung von MERS-CoV als Vorlage zur Schwächung von MERS-CoV synthetisiert -Δ[4a, 3, 5, 4b, E]. Dieses RNA-Replikon war ein praktikabler Impfstoffkandidat für dieses Virus und eine faszinierende Plattform für die vektorbasierte Impfstofferzeugung, da es stark gedämpft war und eine sterilisierende Immunität nach einer einzigen intranasalen Immunisierung in transgenen Mäusen, die den MERS-CoV-Rezeptor beherbergen, induzierte.

Darüber hinaus wies das Team auf die Möglichkeit hin, einen Ansatz für die Entwicklung von RNA-Replikon-Impfstoffen zu entwickeln, die auf andere für Menschen pathogene CoVs abzielen.

Referenz:

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Unsere Beiträge kommen von Autoren der Universitäten und Forschungszentren aus der ganzen Welt. Wir geben Ratschläge und Informationen. Jede Beschwerde und Krankheit kann individuelle Behandlungsmöglichkeiten erfodern, sowie Wechselwirkungen der Medikamente hervorrufen. Konsultieren Sie unbedingt immer einen Arzt, bevor Sie etwas tun, worin Sie nicht geschult sind.

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