Mutationen von SARS-CoV-2 und mögliche Effekte auf den Pandemieverlauf

Anlass

Ein erneuter Ausbruch von SARS-CoV-2 in Peking hatte für mediale Aufmerksamkeit gesorgt – insbesondere, da es sich bei den Neuinfektionen um eine mutierte Variante des Virus handeln soll, die in Europa verbreitet ist [I]. Gleichzeitig werfen in einer vorläufigen wissenschafltichen Arbeit (Preprint) gezeigte Forschungsergebnisse des amerikanischen Scripps Research Institutes erneut Diskussionen auf, inwiefern sich Mutationen des Virus auf den Pandemieverlauf auswirken. Den Ergebnissen nach soll eben jene Mutation im Genom von SARS-CoV-2, die nun auch in Peking zirkuliert, das Virus infektiöser machen [II]. Diese D614G-Mutation hatte sich vor allem bei den in Europa verbreiteten Stämmen schnell durchgesetzt. Ob diese Mutation das Virus auch pathogener macht, ist noch unklar.

Wie alle anderen Viren verändert sich auch das neuartige Coronavirus stetig, um sich an seinen Wirt anzupassen. Seit Beginn der COVID-19-Pandemie wurden über hundert Mutationen im Virusgenom von SARS-CoV-2 identifiziert [III]. Die meisten davon blieben jedoch ohne Folgen und haben keine funktionellen Auswirkungen auf das Virus. Anders sieht das aus, wenn eine Mutation Regionen des Erbguts betrifft, die beispielsweise den Bauplan für das virale Spike-Protein liefern, das es dem Virus ermöglicht, in menschliche Zellen einzudringen. Sie können – wie im Fall von D614G – die Fähigkeit des Virus verändern, Menschen zu infizieren.

Spekulativen Berichten zum Thema ist abzulesen, dass noch viel Unklarheit herrscht, wie schlimm es tatsächlich ist, wenn das Virus mutiert und wie solche Mutationen den Pandemieverlauf beeinflussen können. Meistens ist nur ein kleiner Teil von Virusmutationen überhaupt in der Lage, ein Virus strukturell zu verändern und damit potenziell gefährlicher oder harmloser zu machen. Wie sich das Mutationsverhalten von SARS-Cov-2 auf unsere Möglichkeiten zur Pandemiekontrolle auswirkt – und umgekehrt – sind wichtige Fragen, die es zu klären gilt. Inwiefern beeinflussen Pandemie-Maßnahmen und das Verhalten der Bevölkerung, wie das Virus mutiert? Was bedeuten SARS-CoV-2-Mutationen für die Impfstoffentwicklung und die Zuverlässigkeit von PCR-Tests? Und welche Rolle spielt die Virusvariante beim Verlauf der Pandemie in unterschiedlichen geographischen Regionen – sind etwa die Virustypen in den USA und Großbritannien tatsächlich ansteckender?

Diese Fragen – und Ihre! – beantworteten die Experten bei einem 50-minütigen virtuellen Press Briefing.

Video und Transkript

Das Transkript können Sie hier als pdf herunterladen.

Glossar

Mutation
Mutationen sind Veränderungen im Erbgut, die bei jedem Lebewesen und bei jeder Zellteilung stattfinden können. Sie entstehen, wenn beim Kopieren der Erbinformation Fehler passieren – diese können vom Austausch einzelner Basen (Punktmutationen) bis hin zur Entfernung ganzer Gene reichen.

Mutationen bei Viren
Da Viren sehr schnell sehr viele Kopien ihres Erbguts herstellen und die Werkzeuge, die ihre Erbinformation ablesen, ungenauer arbeiten als die von höher entwickelten Organismen, mutieren sie besonders häufig. Mutieren Stellen im Erbgut, die für ein bestimmtes Erscheinungsbild des Virus verantwortlich sind, können sie das Virus strukturell und funktionell verändern. Verändert eine zufällige Mutation ein Virus dahingehend, dass es besser überleben kann, wird sie sich gegenüber allen anderen Virusvarianten im Lauf der Zeit durchsetzen, was als Selektion bekannt ist. Sich verändernde Bedingungen üben einen sogenannten Selektionsdruck auf das Virus aus. Hohe Mutationsraten ermöglichen es dem Virus, sich schnell an diese anzupassen; die am besten angepasste Form überlebt.

Mutationsrate
Bei Viren: relative Anzahl der Mutationsereignisse (Mutation) pro Replikationszyklus.

Erbgut von Coronaviren
Coronaviren sind RNA-Viren – ihre Erbinformation ist also als Basenabfolge in Einzelstrangform gespeichert, im Gegensatz zu DNA, die als Doppelstrangform vorliegt. Mit einer Anzahl von etwa 30.000 Basen besitzen Coronaviren das größte Genom aller RNA-Viren. Um die Fehlerrate bei der Vervielfältigung gering zu halten, verfügen diese Viren über einen besonderen Korrekturmechanismus. Dadurch ist ihre Mutationsrate im Vergleich zu anderen RNA-Viren eher gering.

Spike-Protein/ACE2-Rezeptor
SARS-CoV-2 nutzt das sogenannte Spike-Protein, um an Zellen anzudocken und die Aufnahme des Virus in die Zelle zu vermitteln. Das Protein bindet an einen Rezeptor namens ACE2 auf der Oberfläche menschlicher Zellen – dadurch kann es mit der Zellmembran verschmelzen und sein Erbgut ins Zellinnere entlassen. Antikörper können das Virus anhand des Spike-Proteins erkennen, daran binden und es so als Ziel für Immunzellen markieren.

D614G-Mutation
Mutation im Genom von SARS-CoV-2, die vor allem für die in Europa und den USA verbreiteten SARS-CoV-2-Varianten typisch ist und sich mittlerweile gegen das Ursprungsvirus aus China durchgesetzt hat. Sie soll das Virus infektiöser machen, nicht aber unbedingt pathogener machen – es kann also effektiver menschliche Zellen infizieren .

Nextstrain
Open-Source-Plattform, die es ermöglicht, anhand von global gesammelten Genomdaten Veränderungen von Viruspopulationen in Echtzeit mitzuverfolgen und mögliche Verbreitungswege nachzuvollziehen: https://nextstrain.org/ncov/global

GISAID
globale Falldatenbank zu COVID-19 mit umfangreichen Genomdaten: https://www.gisaid.org

Quellen

Weiterführende Recherchequellen

Einen guten Überblick zu genetischen Fachbegriffen gibt es hier:
https://www.mri.tum.de/humangenetik-fachbegriffe

Ein hilfreiches Glossar zu Begriffen im Zusammenhang mit SARS-CoV-2 findet sich hier:
https://www.helmholtz.de/glossar/corona-glossar/

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] China Internet Information Center (19.06.2020): China veröffentlicht Gensequenz der neu entdeckten Coronavirus-Stämme.

[II] Zhang L et al. (2020): The D614G mutation in the SARS-CoV-2 spike protein reduces S1 shedding and increases infectivity. BioRxiv.
Dies ist eine noch nicht begutachtete Preprint-Veröffentlichung hat noch keine wissenschaftliche Begutachtung durchlaufen und ist mit Vorsicht zu behandeln.

[III] van Dorp L et al. (2020): Emergence of genomic diversity and recurrent mutations in SARS-CoV-2. Infection, Genetics and Evolution; 83: 10435. DOI: 10.1016/j.meegid.2020.104351.

Dr. Andreas Bergthaler

Leiter der Forschungsgruppe Virale Pathogenese und antivirale Immunantworten am Forschungsinstitut für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (CeMM), Wien, und Leiter des Projektes Mutationsdynamik von SARS-CoV-2 in Österreich, Österreich

Prof. Dr. Richard Neher

Leiter der Forschungsgruppe Evolution von Viren und Bakterien, Universität Basel, Schweiz

Prof. Dr. Friedemann Weber

Direktor des Instituts für Virologie, Justus-Liebig-Universität Gießen

Expert:innen

Literatur