Die transmissions-elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, isoliert von einem Patienten in den USA. Die Zacken am äußeren Rand der Viruspartikel geben den Coronaviren ihren Namen: kronenförmig.NIAID-RML

Ende 2019 tauchten die ersten Berichte über eine unbekannte Atemwegsinfektion – in einigen Fällen tödlich – aus Wuhan, China, auf. Die Quelle dieser Infektion wurde schnell als ein neuartiges Coronavirus identifiziert, das mit den Viren verwandt ist, die Ausbrüche des Schweren Akuten Respiratorischen Syndroms (SARS) in den Jahren 2002-2004 und des Mittleren Östlichen Respiratorischen Syndroms (MERS) im Jahr 2012 verursacht hatten.

Die Weltgesundheitsorganisation erklärte die durch das neue Virus COVID-19 hervorgerufene Erkrankung zu einem internationalen Gesundheitsnotfall. Bis Anfang März 2020 hatte das neuartige Coronavirus – das jetzt den Namen SARS-CoV-2 trägt – weltweit mehr als 90.000 Menschen infiziert und mindestens 3.100 Menschen getötet.

Wie andere Coronaviren sind auch die Partikel von SARS-CoV-2 kugelförmig und haben Proteine, die sogenannten Spikes, die aus ihrer Oberfläche herausragen. Diese Spikes heften sich an menschliche Zellen und machen dann eine strukturelle Veränderung durch, die es der Virusmembran ermöglicht, mit der Zellmembran zu verschmelzen. Die viralen Gene können dann in die Wirtszelle eindringen, um kopiert zu werden und weitere Viren zu produzieren. Jüngste Arbeiten zeigen, dass SARS-CoV-2-Spikes wie das Virus, das 2002 den SARS-Ausbruch verursachte, an Rezeptoren auf der menschlichen Zelloberfläche binden, die Angiotensin-konvertierendes Enzym 2 (ACE2) genannt werden.

Um rasche Forschungsfortschritte zu unterstützen, wurde die Genomsequenz des neuen Coronavirus von Wissenschaftlern in China der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Ein Team, dem auch Wissenschaftler aus dem Labor von Dr. Jason McLellan an der University of Texas in Austin und dem NIAID Vaccine Research Center (VRC) angehörten, isolierte einen Teil des Genoms, der auf der Grundlage von Sequenzen verwandter Coronaviren für das Spike-Protein kodiert. Das Team verwendete dann kultivierte Zellen, um große Mengen des Proteins für die Analyse zu produzieren.

Struktur des SARS-CoV-2 Spike-Proteins auf Atomebene. Die rezeptorbindende Domäne, der Teil des Spikes, der sich an die Wirtszelle bindet, ist grün gefärbt. UT Austin, McLellan Lab

Die Studie wurde zum Teil vom National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) der NIH finanziert. Die Ergebnisse wurden am 19. Februar 2020 in Science veröffentlicht.

Die Forscher verwendeten eine Technik namens Kryo-Elektronenmikroskopie, um detaillierte Bilder der Struktur des Spike-Proteins zu machen. Dazu werden Viruspartikel eingefroren und ein Strom hochenergetischer Elektronen durch die Probe geschossen, um Zehntausende von Bildern zu erstellen. Diese Bilder werden dann kombiniert, um eine detaillierte 3D-Ansicht des Virus zu erhalten.

Die Forscher fanden heraus, dass der SARS-CoV-2-Spike 10 bis 20 Mal wahrscheinlicher ACE2 auf menschlichen Zellen bindet als der Spike des SARS-Virus aus dem Jahr 2002. Dadurch kann sich SARS-CoV-2 möglicherweise leichter von Mensch zu Mensch verbreiten als das frühere Virus.

Trotz Ähnlichkeiten in Sequenz und Struktur zwischen den Spikes der beiden Viren konnten drei verschiedene Antikörper gegen das SARS-Virus von 2002 nicht erfolgreich an das SARS-CoV-2-Spike-Protein binden. Dies deutet darauf hin, dass potenzielle Impfstoffe und auf Antikörpern basierende Behandlungsstrategien auf das neue Virus zugeschnitten sein müssen.

“Wir hoffen, dass diese Ergebnisse bei der Konzeption von Impfstoffkandidaten und der Entwicklung von Behandlungen für COVID-19 helfen werden”, sagt Dr. Barney Graham, stellvertretender Direktor des VRC.

Die Forscher arbeiten derzeit an Impfstoffkandidaten, die auf das SARS-CoV-2-Spike-Protein abzielen. Sie hoffen auch, das Spike-Protein zu verwenden, um Antikörper von Menschen zu isolieren, die sich von einer Infektion mit dem neuen Coronavirus erholt haben. Wenn solche Antikörper in großen Mengen produziert werden, könnten sie möglicherweise zur Behandlung neuer Infektionen eingesetzt werden, bevor ein Impfstoff verfügbar ist. Darüber hinaus verfolgen die NIH-Forscher auch andere Ansätze zur Behandlung des Virus.