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Was geschieht in menschlichen Zellen, die mit SARS-CoV-2 infiziert sind?

2020

In der aktuellen Coronavirus-Pandemie werden die großen Dinge – wie verbreitet sich das Virus weltweit, wie geht die Gesellschaft damit um? – genauso erforscht wie kleinsten: was geschieht auf molekularer Ebene in infizierten Zellen? Dieses Kleinste ist Thema unseres Projektes, das gestern als „Preprint“ (d. h. nicht begutachteter Entwurf einer wissenschaftlichen Publikation) auf der Plattform biorxiv.org erschienen ist. Anschauen kann man sich das hier: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.05.05.079194v1 – hier eine Erklärung, was wir gemacht haben.

Schlussendlich wollen wir natürlich wissen, was in menschlichen Zellen im Körper geschieht. Da man damit aber nicht so einfach arbeiten kann, haben wir mit dem technisch einfachsten „Modell“ begonnen, nämlich Zelllinien (siehe dazu auch der Eintrag „Virusinfektionen im Labor“). Nach Infektion mit dem SARS-CoV-2-Virus (das ist das neue Virus) und, als Vergleich, mit dem „alten“ SARS-CoV von 2002/2003, haben wir uns RNA-Moleküle in der Zelle angeschaut. RNA-Moleküle sind kurzlebige Informationsspeicher zwischen dem Erbgut (DNA) und den Proteinen/Eiweißen, die irgendwelche Funktionen übernehmen, bspw. Viruspartikel zusammenbauen. RNA-Moleküle anzuschauen gibt Hinweise darauf, was in der Zelle geschieht – wie wenn man haufenweise Notizzettel von jemandem finden würde, könnte man auch nachvollziehen was die Person macht und denkt. Auch das Erbgut des Virus ist ein RNA-Molekül.

Wenn das Virus in die Zelle reinkommt, aktiviert es eine Reihe von Prozessen. Dazu gehört das Erkennen von RNA, die nicht von der Zelle selber ist. Darin sind die Zellen sehr gut, schließlich leben wir schon seit Millionen von Jahren mit Viren, und entsprechend haben sich sehr feine Mechanismen dafür entwickelt. Aber andersrum gibt es im Virus auch Mechanismen, die das zu verhindern versuchen (kein Virus übrigens so gut wie Herpes-simplex-Viren). Wenn die nicht-Zell-RNA erkannt ist, setzt sie die „eingebaute Immunantwort“ in Gang. Darauf werden eine Reihe von Genen aktiviert, die die Vermehrung des Virus verhindern, oder Botenstoffe machen die Zellen des Immunsystems anlocken. Diese erkennen und vernichten dann das Virus und virusinfizierte Zellen, produzieren Antikörper, usw. Daneben gibt es auch noch weitere Prozesse, die in Virusinfektionen nicht so gut erforscht sind. Eines der Gene, die aktiviert werden, aber nicht zur eingebauten Immunantwort gehören, ist das Gen ARRDC3, das auch eine Funktion haben könnte in der Coronavirus-Infektion.

Die Caco-2-Zellen (links) spüren die virus-RNA nicht, das am stärksten hochregulierte Gen (deswegen ist der dazugehörige Punkt weit oben) ist ARRDC3. In Calu-3-Zellen (rechts) schaltet der RNA-Sensor die eingebaute Immunantwort an, es werden Zytokine wie Interferon beta („IFNB1“) oder CXCL10 produziert.

Auffällig war, dass das neue SARS-Virus die eingebaute Immunantwort viel stärker aktiviert als das alte SARS-Virus. Das klingt erst mal gut, aber eine zu starke Immunantwort schädigt indirekt die Lunge (siehe CoronaInfo vom 8. April).

Eine RNA-Klasse sind die sogenannten Mikro-RNAs, sehr kurze Stücke (aus 21 Nucleotiden, also quasi Buchstaben, zusammengesetzt), die andere RNAs beeinflussen können. In der Infektion gab es vielmehr von einer (von ungefähr 1000 bekannten) Mikro-RNA, der miR-155. Es ist bekannt dass diese bei Infektionen und Entzündungen wichtig ist, die Frage ist nun was ihre Rolle in der Coronavirusinfektion ist. Eine kürzlich erschiene Studie hat gezeigt, dass Mäuse ohne miR-155 bei Influenza-Infektionen weniger Lungenschäden haben. Diese Mikro-RNA könnte also vielleicht auch ein Ziel für eine therapeutische Intervention sein.

Mit Hilfe der Einzellzellsequenzierung (siehe zu unserer Publikation mit Herpes simplex wie das funktioniert und wofür das gut ist) haben wir dann genauer angeschaut, wie die eingebaute Immunantwort gewisse Gene anschaltet. Dabei sahen wir, dass zwei unterschiedliche Signalwege („IRF“ und „NF-kappaB“) aktiv sind, aber hintereinander. Zuerst kommt IRF, und aktiviert diverse Gene der eingebauten Immunantwort wie das IFIT2, das versucht, die RNA des Virus zu eliminieren. Danach wird NF-kappaB aktiv, und IRF wird inaktiviert. Nur während kurzer Zeit sind beide aktiv, und dann werden die Interferon-Gene aktiviert – Interferone sind Botenstoffe, die Zellen des Immunsystems aktivieren. Wenn NF-kappaB dann aktiv ist, werden entzündungsförderende Zytokine produziert, die eventuell der Ursprung der Schädigungen der Lunge durch das eigene Immunsystem sind (siehe CoronaInfo vom 8. April).

Jeder Punkt ist eine einzelne Zelle. Je blau-röter, desto mehr wird wenig vom Gen IFIT2 (links) bzw von Interleukin-6 (rechts) hergestellt. Zellen mit aktivem IRF bzw. NF-kappaB sind eingekreist.

Mit einer weiteren Analysen haben wir dann gesehen, dass ein bestimmtes Protein in der Zelle, das Hsp90, mit der Virusinfektion zu tun haben könnte. In der Literatur wurde schon öfters beschrieben, dass Viren dieses Hsp90 brauchen, um sich in Zellen zu vermehren. In der Krebsforschung wurden schon viele Substanzen entwickelt, um Hsp90 zu blockieren – mit der Idee, dass ohne aktives Hsp90 die Tumore nicht mehr wachsen können. Wir haben dann eine von diesen Substanzen genommen (Wiederverwendung von Medikamenten als wichtiges Prinzip, um schnell zu Wirkstoffen zu kommen, siehe CoronaInfo vom 26. März), und sie hat tatsächlich schon bei niedrigen Mengen die Vermehrung des Virus zu einem gewissen Grad reduziert (und interessanterweise auch die Produktion der entzündungsförderenden Zytokine).

Der Hsp90-Blockierer „17-AAG“ reduziert die Menge Virus, die von infizierten Zellen gemacht wird.

Das heißt nicht, dass es ein Medikament gibt! Wir werden schon versuchen, ob 17-AAG und verwandte Substanzen in lebensnäheren Modellen als unseren Zelllinien auch wirken. Insbesondere geht es aber darum, wie ein besseres molekulares Verständnis der Infektion durchaus auch mögliche Angriffspunkte für Medikamente zeigen kann.

 

One Response to “Was geschieht in menschlichen Zellen, die mit SARS-CoV-2 infiziert sind?”


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