Coronavirus Corona und das Spikeprotein - neue Ansätze für Impfstoffe und Medikamente

Das Spikeprotein ist der Schlüssel des Coronavirus, mit dem es Menschen infiziert. Forscher haben nun auf molekularer Ebene untersucht, wie das Eiweiß seine Zustände verändert, und neue Ansätze für Medikamente entdeckt.

Darstellung der Molekülstruktur der beiden Spikeproteine von Sars-1 und Sars-2. Das aktuelle Coronavirus (rechts in organge) hat eine spezielle Bindungsdomäne, die sich besonder stabilisieren lässt (in dunkellila).
Darstellung der Molekülstruktur der beiden Spikeproteine von Sars-1 und Sars-2. Das aktuelle Coronavirus (rechts in orange) hat eine spezielle Bindungsdomäne, die sich besonders stabilisieren lässt (in dunkellila). Bildrechte: Mahmoud Moradi

Das sogenannte Spikeprotein ist der Schlüssel, mit dem das Sars-Coronavirus-2 in die menschlichen Zellen eindringt. Doch der Schlüssel ist nicht immer aktiv, er muss im Körper erst eingeschaltet werden, bevor das Virus andocken und eindringen kann. Eine Reihe neuer Arbeiten, die beim virtuellen Jahrestreffen der Biophysischen Gesellschaft der USA vorgestellt wurden, erklärt nun, wie diese Mechanismen ablaufen und was daraus für Impfstoffe und Medikamente folgt.

Vier Zustände des Spikeproteins

Marion Lu, Forscherin an der renommierten Yale-Universität, hat sich mit den Veränderungen des Spikeproteins beschäftigt und dabei mindestens vier Formen festgestellt, die das Eiweiß annehmen kann. Außerdem wollte sie wissen, welche Antikörper das Eiweiß wann blockieren.

Dabei stellte sie fest, dass es sowohl Antikörper gibt, die erst binden können, wenn das Spikeprotein aktiviert und damit andockbereit ist. Solche Antikörper würden die Bindung blockieren. Andere hingegen binden bereits an das inaktivierte Spikeprotein und verhindern so dessen Aktivierung. Sie wirken also bereits einen Schritt zuvor und deshalb sicherer. Die meisten Impfstoffe lösten den Bau dieser besseren Antikörper aus.

Körpereigene Zuckermoleküle entscheidend

Bild des SARS-CoV-2-Spikes in der aktiven Position. Dunkelblaue Glykane schützen das Eiweiß vor dem Immunsystem. Zugleich sind sie an der Aktivierung beteiligt und stabilisieren seine aktivierte Form. Die rezeptorbindende Domäne des Spikeproteins ist helbblau eingefärbt, sie kann ihre Form verändern, um an die Zellen anzudocken oder inaktiviert zu sein
Bild des SARS-CoV-2-Spikes in der aktiven Position. Dunkelblaue Glykane schützen das Eiweiß vor dem Immunsystem. Zugleich sind sie an der Aktivierung beteiligt und stabilisieren seine aktivierte Form. Die rezeptorbindende Domäne des Spikeproteins ist hellblau eingefärbt, sie kann ihre Form verändern, um an die Zellen anzudocken oder inaktiviert zu sein Bildrechte: Lorenzo Casalino, Amaro Lab, UCSD

Eine andere Forschungsgruppe interessierte sich für Glykane, körpereigene Zuckermoleküle, die das Virus einerseits nutzt, um sich zu tarnen. Andererseits lösen diese Zuckermoleküle auch die Aktivierung des Spikeproteins aus. Die Forscherinnen Terra Sztain-Pedone (University of California San Diego) und Lillian Chong (University of Pittsburgh) haben mit einer aufwendigen Supercomputersimulation errechnet, wie diese Zuckermoleküle ihre Position auf dem Spikeprotein verändern, wenn das Eiweiß in den aktivierten Zustand übergeht.

Die Simulation ist deshalb so aufwendig, weil es über eine halbe Million Atome pro Spikeprotein gibt. Die Arbeit hat sich aber offenbar gelohnt. Es sei möglich gewesen, genau ein Glykan zu bestimmen, das den Aktivierungsprozess einleite, schreiben die Forscherinnen. Sie hoffen nun, dass ihre Erkenntnisse bei der Entwicklung von Medikamenten helfen können, die die Aktivierung des Virus verhindern.

Neue Schlüsselregion des Spikeproein identifiziert

Ein simuliertes Coronavirus, die Spikeproteine in blau.
Ein simuliertes Coronavirus, die Spikeproteine in blau. Bildrechte: Wenwei Li.

Ebenfalls mit einer aufwendigen Großsimulation haben Vivek Govind Kumar und Mahmoud Moradi von der University of Arkansas gearbeitet. Auch sie errechneten die Positionsveränderungen des Corona-Spikeproteins und verglichen dabei auch die verschiedenen Eiweiße von Sars-1 und dem jetzigen Sars-2. Dabei zeigte sich, dass Sars-2 einen evolutionären Vorteil besitzt, weil es seine jeweiligen Zustände viel besser stabilhalten kann. Dem Sars-1 Virus gelang das nicht, es musste die Infektion daher viel schneller auslösen und konnte so leichter entdeckt werden.

Bei ihrer Studie konnten die Wissenschaftler eine Region des Spikeproteins ausmachen, die für die Stabilität des Virusschlüssels extrem wichtig ist, in bisherigen Forschungen aber weitgehend ignoriert worden sei. Mutationen in dieser Region könnten starken Einfluss auf die Übertragbarkeit des Virus haben, schreiben die Forscher. Zudem gebe es hier neue Ansatzpunkte für Medikamente, die das Virus im inaktivierten Zustand festhalten könnten.

Kumar und Moradi untersuchen jetzt die britische Mutation B.1.1.7. um herauszufinden, ob sich die Beweglichkeit des Spikeproteins verändert hat und die Mutante dadurch ansteckender geworden ist.

(ens)

Ein Porträt-Foto von Virologe Alexander Kekulé. 29 min
Bildrechte: MDR/dpa

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