In einer aktuellen Studie, die im veröffentlicht wurde bioRxiv* Preprint-Server: Forscher untersuchten, ob das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) auf natürliche Weise durch eine Übertragung vom Tier auf den Menschen oder synthetisch während Forschungsexperimenten zum Coronavirus (CoV) entstanden ist.
Studie: Endonuklease-Fingerabdruck weist auf einen synthetischen Ursprung von SARS-CoV-2 hin. Bildnachweis: Lightspring/Shutterstock
*Wichtiger Hinweis: bioRxiv veröffentlicht vorläufige wissenschaftliche Berichte, die nicht von Experten begutachtet werden und daher nicht als schlüssig angesehen werden sollten, als Leitfaden für die klinische Praxis/gesundheitsbezogenes Verhalten dienen oder als etablierte Informationen behandelt werden sollten.
Forscher nutzen häufig die Methode der In-vitro-Genomassemblierung (IVGA), um CoV-Varianten im Labor synthetisch zu konstruieren. Bei der Technik werden Restriktionsenzyme eingesetzt, um Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Bausteine zu erzeugen, die dann geordnet zusammengesetzt werden können, um das virale Genom zu erzeugen.
Zur synthetischen Erzeugung von Viren wird das virale Genom so verändert, dass Stichbereiche, sogenannte Restriktionsstellen (RS), eliminiert oder eingebaut werden. RS-Modifikationen könnten als IVGA-Fingerabdrücke dienen, und um künftige Pandemien zu verhindern, ist ein Verständnis des Ursprungs von SARS-CoV-2 von entscheidender Bedeutung.
Über die Studie
In der vorliegenden Studie untersuchten die Forscher mithilfe einer gängigen IVGA-Methode für infektiöse Klone des Ribonukleinsäurevirus (RNA), ob der Ursprung von SARS-CoV-2 natürlich oder synthetisch war.
Das vollständige RNA-Genom wurde von IVGA zur Erstellung infektiöser CoV-Versionen in DNA rekonstruiert. Für den Zusammenbau des viralen Genoms wurden zwei unterschiedliche Endonuklease-Enzyme verwendet, wobei zwei Stellen eines Enzyms die interessierende Stelle flankieren, um eine effiziente Manipulation der flankierenden Region zu ermöglichen, ohne das gesamte virale Rückgrat für jede Variante neu zusammenzusetzen.
Das Team berechnete zufällige RS-Verteilungen, die in unmodifizierten Viren nach der Verdauung eines breiten Spektrums natürlicher CoV-Genome mit einer umfassenden Liste von Restriktionsendonuklease-Enzymen zu erwarten waren. Das umgekehrte genetische System von MERS-CoV (Middle East Respiratory Syndrome CoV) wurde für IVGA entwickelt, indem die vorhandenen BglI-Stellen entfernt, sechs zusätzliche BglI-Stellen eingefügt und Typ-IIS-RS in gleichmäßigen Abständen angeordnet wurden.
Hinzufügungen und Entfernungen wurden durch Mutationen vom synonymen Typ durchgeführt, wodurch sieben Fragmente entstanden, von denen das längste 5721 Basenpaare (bp) lang war oder 19 % des MERS-Genoms abdeckte. Die Analyse konzentrierte sich auf SARS-CoV-2 BsaI/BsmBI-Standorte im Vergleich zu RS-Karten aller CoVs. Die Mutationsanalyse wurde durchgeführt, indem 100.000 zufällige in silico-Mutanten für RaTG13 und BANAl-20-52 generiert wurden. Die phylogenetische Inferenzanalyse wurde mit paarweisen Alignments des gesamten Genoms zwischen RaTG13 und SARS-CoV-2 und BANAL-20-52 und SARS-CoV-2, verdaut durch BsaI/BsmBI, durchgeführt.
Für die Analyse wurden Github-Repository-Daten von manipulierten CoVs verwendet, und offene Leserahmen (ORFs) des CoV-Spike (S)-Gens wurden aus der NCBI-Gendatenbank abgerufen. Google Scholar wurde durchsucht, um eine vollständig repräsentative Liste von Beispielen infektiöser CoV-Klone zu erstellen, die zwischen 2000 und 2019 begrenzt waren.
Ergebnisse
Der synthetische SARS-CoV-2-Fingerabdruck war bei Wildtyp-CoVs (wt) anomal und bei im Labor hergestellten Virusorganismen häufig. Die RS-Karte von SARS-CoV-2 stimmte mit den zuvor für synthetische CoV-Genome berichteten überein, erfüllte alle Kriterien, die für ein effizientes umgekehrtes genetisches System wesentlich sind, und unterschied sich deutlich von seinen nächsten Verwandten durch eine hohe Rate an synonymen, aber in der synthetischen Form vorkommenden Identifizierungsstellen. und es ist unwahrscheinlich, dass der Fingerabdruck von seinen nahen Verwandten stammt.
In der RS-Kartenanalyse zeigte der IVGA SARS-CoV-2-Fingerabdruck (i) den Einbau und/oder die Eliminierung einzigartiger Endonukleaseenzyme (BsmBI, BglI und BsaI); (ii) Verdauung durch ausgewählte Enzyme, was zu fünf bis acht Fragmenten führt; (iii) das größte Fragment ist < acht kb; (iv) alle klebrigen Enden waren einzigartig; (v) alle Identifikationsstellen wurden durch synonyme Mutationen erstellt; (vi) zwei eindeutige Identifikationsstellen könnten Stellen zur weiteren Manipulation flankieren; (vii) Identifizierungsstellen könnten mit anderen viralen Organismen abgeglichen werden, um Segmentsubstitutionen zu ermöglichen.
Das Muster aus stillen oder synonymen Mustern und dem Fingerabdruck der Restriktionsstelle war bei synthetischen viralen Organismen nahezu universell, was stark darauf hindeutet, dass SARS-CoV-2 synthetisch entstanden ist. Die SARS-CoV-2-RS-Karte enthielt fünf BsaI/BsmBI-RS. Im Gegensatz zu den eng verwandten Viren waren die Viren gleichmäßig verteilt und es fehlten zwei hochkonservierte BsaI-RS, die in fast allen anderen Sarbecoviren der B-Linie vorkommen. Die Karte war ein Ausreißer in den unteren 1,0 % der längsten Fragmentlängen nicht manipulierter CoVs.
Die Restriktionskartenanalyse von 1491 RS-Karten in der IIS-Gewichtsverteilung zeigte, dass SARS-CoV-2 im Vergleich zu jedem nicht manipulierten Virusorganismus mehr SD (Standardabweichungen) unter dem Durchschnitt lag, was auf eine Wahrscheinlichkeit einer solchen Anomalie von <0,1 % hinweist RS-Karte in einem wt, nicht manipulierten Virus. SARS-CoV-2 zeigte sechs Fragmente, die durch Restriktionsendonuklease-Enzyme vom Typ IIS doppelt verdaut wurden, und die nahen Verwandten RaTG13 und BANAL 52 zeigten sieben bzw. fünf Fragmente mit ausgeprägtem RS.
Es wurden 12 stille Mutationen in neun verschiedenen BsaI/BsmBI-RS zwischen SARS-CoV-2 und RaTG13 und fünf stille Mutationen in sieben verschiedenen BsaI/BsmBI-RS zwischen SARS-CoV-2 und BANAL52 beobachtet. Lediglich ein Prozent bzw. 0,1 Prozent der RaTG13- und BANAL52-Mutanten zeigten BsaI/BsmBI-RS-Karten mit höheren Z-Scores im Vergleich zu SARS-CoV-2.
Insgesamt zeigten die Studienergebnisse eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass SARS-CoV-2 synthetisch als in vitro zusammengesetzter infektiöser Klon entsteht. Die Ergebnisse könnten die Politikgestaltung und Forschung unterstützen, um künftige Pandemien zu verhindern und Verbesserungen der biologischen Sicherheit weltweit zu fördern.
*Wichtiger Hinweis: bioRxiv veröffentlicht vorläufige wissenschaftliche Berichte, die nicht von Experten begutachtet werden und daher nicht als schlüssig angesehen werden sollten, als Leitfaden für die klinische Praxis/gesundheitsbezogenes Verhalten dienen oder als etablierte Informationen behandelt werden sollten.
Referenz:
- Vorläufiger wissenschaftlicher Bericht.
Valentin Bruttel, Alex Washburne und Antonius VanDongen. (2022). Endonuklease-Fingerabdruck weist auf einen synthetischen Ursprung von SARS-CoV-2 hin. bioRxiv. doi: https://doi.org/10.1101/2022.10.18.512756 https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.09.30.510261v3
