Coronavirus vermehrt sich in menschlichen Zellen rasend schnell

Coronavirus: Wie SARS-CoV-2 sein Erbgut vermehrt

Die Schleimhäute von Mund, Nase und Augen gelten als das Einfallstor für das Coronavirus SARS-CoV-2. Wenn sich ein Mensch mit dem neuartigen Virus infiziert, vermehrt sich der Erreger in dessen Zellen rasend schnell. Forschende haben nun herausgefunden, wie das Coronavirus sein Erbgut vermehrt.

Weltweit zirkulieren zahlreiche Coronaviren, die ständig Menschen infizieren und normalerweise nur milde Atemwegserkrankungen hervorrufen. Auch Infektionen mit dem Coronavirus SARS-CoV-2 verlaufen in vielen Fällen relativ harmlos. Der neue Erreger kann aber auch eine schwere Erkrankung der Atemwege hervorrufen, die COVID-19 genannt wird. Ein Forschungsteam berichtet nun, wie das Virus sein Erbgut vermehrt.

Coronavirus-Erbgut besteht aus rund 30.000 Bausteinen

Infiziert sich ein Mensch mit dem neuartigen Coronavirus SARS-CoV-2, vermehrt es sich in dessen Zellen rasend schnell. Dazu muss der Erreger sein Erbgut, das aus einem langen RNA-Strang besteht, vervielfältigen. Diese Aufgabe übernimmt die virale „Kopiermaschine“, Polymerase genannt.

Laut einer aktuellen Mitteilung haben Wissenschaftler um Patrick Cramer vom Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie jetzt die räumliche Struktur der Corona-Polymerase entschlüsselt.

Den Angaben zufolge lässt sich damit erforschen, wie antivirale Substanzen wirken, die die Polymerase blockieren. Eine von ihnen ist Remdesivir, ein aussichtsreicher Wirkstoff bei der Entwicklung neuer Medikamente gegen COVID-19. Außerdem können neue Wirkstoffkandidaten gesucht werden.

„Im Angesicht der derzeitigen Pandemie wollten wir helfen“, erläutert Max-Planck-Direktor Cramer. „Wir verfügen über umfassende Erfahrung, Polymerasen zu untersuchen.“ So lag das Forschungsthema für die Experten auf der Hand.

„Das Überraschendste für uns war, dass der Aufbau der Coronavirus-Kopiermaschine aus der Reihe fällt, denn sie unterscheidet sich von anderen Polymerase-Strukturen“, so Hauke Hillen.

Laut den Wissenschaftlern bindet die Corona-Polymerase zwar so an die RNA, wie es auch von anderen Virusarten bekannt ist, doch diese Polymerase besitzt ein weiteres Element, mit der sie sich an der RNA festklammert, bis sie das Erbgut kopiert hat.

Dies ist gerade für das Coronavirus wichtig, denn sein Erbgut besteht aus rund 30.000 Bausteinen und ist damit besonders lang, das Kopieren eine echte Mammutaufgabe.

Erkenntnisse schnell mit internationaler Forschungsgemeinschaft geteilt

Zu wissen, wie die Coronavirus-Polymerase Atom für Atom aufgebaut ist, eröffnet neue Möglichkeiten, das Virus besser zu verstehen und zu bekämpfen. Im nächsten Schritt will das Forschungsteam im Detail untersuchen, wie antivirale Substanzen die Vermehrung von Coronaviren blockieren.

„Auf Remdesivir, das die Corona-Polymerase direkt blockiert, ruhen viele Hoffnungen. Durch die Polymerase-Struktur könnte es möglich werden, bereits vorhandene Substanzen wie Remdesivir zu optimieren und ihre Wirkung zu verbessern. Doch wir wollen auch nach neuen Substanzen fahnden, die die Virus-Polymerase stoppen können“, erklärt Cramer.

Ihre Ergebnisse haben die Göttinger Forscher in einem Manuskript auf dem Preprint-Server bioRxiv veröffentlicht. „Wir wollten unsere Erkenntnisse sofort mit der internationalen Forschungsgemeinschaft teilen, denn es muss jetzt, wo wir uns mitten in der Pandemie befinden, besonders schnell gehen,“ berichtet Lucas Farnung, der in Kürze auf eine Professur an die US-amerikanische Harvard University wechseln wird.

Hoffnung auf neue Therapiestrategien

Wie es in der Mitteilung heißt, war der Weg hin zur dreidimensionalen Struktur der Corona-Polymerase steinig. „Zunächst mussten wir die Polymerase aus drei gereinigten Proteinen im Reagenzglas nachbauen. Nach einigen Optimierungen war sie schließlich funktionsfähig“, erklärt Goran Kokic. „Nur so konnten wir untersuchen, wie sie arbeitet.“

Der Forscher hatte dazu auf die Schnelle einen speziellen Test etabliert, um die Aktivität der Polymerase bestimmen zu können.

Im Anschluss untersuchten die Fachleute die Proben im Elektronenmikroskop bei über 100.000-facher Vergrößerung – und zunächst machte sich Enttäuschung breit: „Obwohl wir zehn Tage und Nächte rund um die Uhr Bilder aufgenommen hatten, konnten wir keine detaillierten Einblicke in die Struktur gewinnen“, so Christian Dienemann, Experte für Elektronenmikroskopie.

„Allerdings sah eine Probe anders aus, irgendwie seltsam. Unser erster Gedanke war, sie zu verwerfen. Glücklicherweise haben wir das nicht getan: Ausgerechnet diese Probe hat uns die hochwertigen Daten geliefert, die wir unbedingt brauchten,“ erläutert Dimitry Tegunov, Datenverarbeitungsexperte der Gruppe, der auch die Software programmiert hat, um schnell große Mengen von Bilddaten zu verarbeiten.

Den Angaben zufolge soll die Entschlüsselung der Polymerase-Struktur nicht der letzte Beitrag der Göttinger Forscher zur Bewältigung der Pandemie sein:

„Wir haben auch die sogenannten Helferfaktoren im Visier, die die Virus-RNA so verändern, dass sie durch das menschliche Immunsystem nicht abgebaut werden kann“, so Cramer. „Und natürlich hoffen wir als Strukturbiologen, weitere Angriffspunkte im Virus zu finden, die mittelfristig neue Therapiestrategien eröffnen.“ (ad)