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Virologie

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Coronaviren (CoV) kommen in einer Vielzahl von Tieren und im Menschen vor. Diese umhüllten, kugelfrömigen Viren sind Einzelstrang-RNA-Viren. Durch die positive Polarität der RNA ist eine direkte Translation in Proteine möglich. Die Virionen enthalten eine Hülle (Envelope, E), in die zahlreiche Glykoproteine wie Spike (S) eingebettet sind.

Die Familie der Coronaviridae umfasst vier Gattungen: Alpha-, Beta-, Delta- und Gammacoronavirus, dazu mehrere Untergat-tungen und Arten. Phylogenetische Analysen der Genome ergaben, dass SARS-CoV-2 ein neues Mitglied der Gattung Betacoronaviren ist, zu der auch das SARS-CoV und das MERS-CoV gehören.

SARS-CoV-2 wird taxonomisch der Untergattung Sarbecovirus zugeordnet, es ist eng mit SARS-CoV und einigen CoVs (u.a. BatCoV RaTG13). Im Folgenden werden die wichtigsten virologischen Paper zu SARS-CoV-2 aufgeführt und jeweils kurz zusammengefasst.

Taxonomie

Coronaviridae Study Group of the International Committee on Taxonomy of Viruses. The species severe acute respiratory syndrome-related coronavirus: classifying 2019-nCoV and naming it SARS-CoV-2. Nat Microbiol. 2020 Apr;5(4):536-544. PubMed: https://pubmed.gov/32123347. Full-text: https://doi.org/10.1038/s41564-020-0695-z

Konsensuserklärung, definiert den Platz von SARS-CoV-2 (provisorisch „2019-nCoV“) in der Familie der Coronaviridae.

Ceraolo C, Giorgi FM. Genomic variance of the 2019-nCoV coronavirus. J Med Virol. 2020 May;92(5):522-528. PubMed: https://pubmed.gov/32027036. Full-text: https://doi.org/10.1002/jmv.25700

Analyse von 56 viralen Genomsequenzen verschiedener Patienten. Hohe Ähnlichkeit (>99%). Wenige variable Regionen, v.a. am ORF8-Locus (kodiert für akzessorische Proteine).

Zhou P, Yang XL, Wang XG, et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020 Mar;579(7798):270-273. PubMed: https://pubmed.gov/32015507. Fulltext: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2012-7

Genomsequenzen von fünf frühen Patienten, Sequenzidentität von 79,6% zu SARS-CoV und 96% zu einem Fledermaus-Coronavirus (BatCoV RaTG13).

Herkunft und Wirt

Andersen KG, Rambaut A, Lipkin WA, Holmes EC, Garry RF. The proximal origin of SARS-CoV-2. Nature Medicine. Published: 17 March 2020. Fulltext: https://www.nature.com/articles/s41591-020-0820-9

Übersicht über Genmerkmale von SARS-CoV-2 im Vergleich zu Alpha- und Betacoronaviren. Untersuchungen zur Herkunft zeigen, dass es sich bei diesem Virus nicht um ein Laborkonstrukt bzw. ein gezielt manipuliertes Virus handelt.

Cui J, Li F, Shi ZL. Origin and evolution of pathogenic coronaviruses. Nat Rev Microbiol. 2019 Mar;17(3):181-192. PubMed: https://pubmed.gov/30531947. Full-text: https://doi.org/10.1038/s41579-018-0118-9

SARS-CoV und MERS-CoV stammen wahrscheinlich von Fledermaus-CoV ab, die wahrscheinlich über Zwischenwirte auf den Menschen gesprungen sind.

Lam TT, Shum MH, Zhu HC, et al. Identifying SARS-CoV-2 related coronaviruses in Malayan pangolins. Nature. 2020 Mar 26. pii: 10.1038/s41586-020-2169-0. PubMed: https://pubmed.gov/32218527. Fulltext: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2169-0

Fungieren malaiische Pangoline als Zwischenwirte? Die in diesen Tieren gefundenen CoVs haben eine starke Ähnlichkeit zu SARS-CoV-2, vor allem in der Rezeptorbindungsdomäne.

Zhang T, Wu Q, Zhang Z. Probable Pangolin Origin of SARS-CoV-2 Associated with the COVID-19 Outbreak. Curr Biol. 2020 Mar 13. pii: S0960-9822(20)30360-2. PubMed: https://pubmed.gov/32197085. Fulltext: https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.03.022

Die in Pangolinen gefundenen CoV sind zu 91,0% und zu 90,6% identisch mit SARS-CoV-2 bzw. Bat-CoV RaTG13. Vor allem an der Rezeptorbindungsstelle besteht grosse Ähnlichkeit zu SARS-CoV-2.

Stabilität und Transmission

Chin AW, Chu JT, Perera MR, et al. Stability of SARS-CoV-2 in different environmental conditions.The Lancet Microbe 2020, April 02. DOI:https://doi.org/10.1016/S2666-5247(20)30003-3. Full-text: https://www.thelancet.com/journals/lanmic/article/PIIS2666-5247(20)30003-3/fulltext

SARS-CoV-2 ist bei 4° C stabil über 14 Tage, jedoch sehr hitzeempfindlich (bei 70° C Inaktivierung in 5 min, 56° in 30 min, 37° in 2 Tagen). Es kommt auch auf die Oberfläche bzw. das Material an: Auf Papier und Holz ist die Lebensdauer kürzer, auf Stahl und Kunststoff länger (mglw. aufgrund der jeweils unterschiedlich schnellen Austrocknung). Auf der äußeren Schicht einer Operationsmaske war am Tag 7 noch infektiöses Virus vorhanden (<0,1%).

Kim YI, Kim SG, Kim SM, et al. Infection and Rapid Transmission of SARS-CoV-2 in Ferrets. Cell Host Microbe. 2020 Apr 5. pii: S1931-3128(20)30187-6. PubMed: https://pubmed.gov/32259477. Full-text: https://doi.org/10.1016/j.chom.2020.03.023.

Frettchen scheiden das Virus bis zu 8 Tage nach der Infektion aus Nase, Speichel, Urin und Kot ab. Sie eignen sich daher als Tiermodell, das die Entwicklung von Therapeutika und Impfstoffen erleichtern kann.

Leung NH, Chu Dk, Shiu EY. Respiratory virus shedding in exhaled breath and efficacy of face masks. Nature Med 2020, April 3. https://doi.org/10.1038/s41591-020-0843-2

Diese wichtige Studie aus Hongkong (durchgeführt 2013-16) quantifizierte das Virus in Atemtröpfchen und Aerosolen von  insgesamt 111 „erkälteten“ Teilnehmern (infiziert mit saisonalem Coronavirus, Influenza oder Rhinovirus). Die eine  Hälfte der Teilnehmer trug eine einfache chirurgische Gesichtsmaske, die andere nicht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Masken vor allem die Ausbreitung durch kranke Menschen verringern. In Atemtröpfchen wurden saisonale Coronaviren ohne Maske in 3/10 (Aerosole: 4/10) Proben nachgewiesen, mit Maske in 0/11 (0/11). Influenzaviren wurden in 6/23 (8/23) ohne Masken nachgewiesen, verglichen mit 1/27 (6/27!) mit Masken. Für Rhinoviren gab es keine Unterschiede. Bemerkenswerterweise identifizierten die Autoren auch Viren bei Teilnehmern, die während der 30-minütigen Sammlung der Atemluft überhaupt nicht husteten. Auch asymptomatische Patienten können das Virus also wahrscheinlich über Tröpfchen oder Aerosole übertragen.

Shi J, Wen Z, Zhong G, et al. Susceptibility of ferrets, cats, dogs, and other domesticated animals to SARS-coronavirus 2. Science. 2020 Apr 8. pii: science.abb7015. PubMed: https://pubmed.gov/32269068. Full-text: https://doi.org/10.1126/science.abb7015

SARS-CoV-2 repliziert schlecht in Hunden, Schweinen, Hühnern und Enten. Frettchen und Katzen sind anfälliger. Katzenbesitzer können sich dennoch entspannen. Experimente wurden an einer kleinen Anzahl von Katzen durchgeführt, die hohen Virusmengen ausgesetzt waren, wahrscheinlich mehr als im wirklichen Leben. Es bleibt auch unklar, ob Katzen genug Coronavirus ausscheiden, um es an Menschen weiterzugeben.

van Doremalen N, Bushmaker T, Morris DH, et al. Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2 as Compared with SARS-CoV-1. N Engl J Med. 2020 Mar 17. PubMed: https://pubmed.gov/32182409. Fulltext: https://doi.org/10.1056/NEJMc2004973

Die Stabilität von SARS-CoV-2 ähnelt der von SARS-CoV-1.  Das Virus kann in Aerosolen stundenlang und auf Oberflächen bis zu Tagen lebensfähig und infektiös bleiben. Viel diskutierte Studie, experimentelle Bedingungen.

Zelltropismus

Chu H, Chan JF, Wang Y, et al. Comparative replication and immune activation profiles of SARS-CoV-2 and SARS-CoV in human lungs: an ex vivo study with implications for the pathogenesis of COVID-19. Clin Infect Dis. 2020 Apr 9. pii: 5818134. PubMed: https://pubmed.gov/32270184

Zellexperimente zur Replikationskapazität und zum Immunaktivierungsprofil von SARS-CoV-2- und SARS-CoV-Infektionen in menschlichen Lungengeweben. Beide Viren haben einen ähnlichen Zelltropismus, beide infizieren Pneumozyten vom Typ I und II sowie Alveolarmakrophagen. SARS-CoV-2 ist möglicherweise etwas effizienter als SARS-CoV.

Wang X, Xu W, Hu G, et al. SARS-CoV-2 infects T lymphocytes through its spike protein-mediated membrane fusion. Cell Mol Immunol. 2020 Apr 7. pii: 10.1038/s41423-020-0424-9. PubMed: https://pubmed.gov/32265513. Full-text: https://doi.org/10.1038/s41423-020-0424-9

Es bleibt unklar, ob SARS-CoV-2 auch T-Zellen infizieren kann und so die typische Lymphozytopenie verursacht wird. In einem Zellmodell mit Pseudoviren zeigen die Autoren, dass SARS-CoV-2 T-Zellen durch S-Protein-vermittelte Membranfusion infiziert (aber nicht in diesen repliziert). T-Zelllinien waren im Vergleich zu SARS-CoV signifikant empfindlicher gegenüber SARS-CoV-2. Interessanterweise wurde ein sehr niedriges Expressionsniveau von hACE2 gefunden, was darauf hinweist, dass es andere Rezeptorn gibt, die den Eintritt von SARS-CoV-2 in T-Zellen vermitteln.

Das Spike-Protein und der Zelleintritt

Coutard B, Valle C, de Lamballerie X, Canard B, Seidah NG, Decroly E. The spike glycoprotein of the new coronavirus 2019-nCoV contains a furin-like cleavage site absent in CoV of the same clade. Antiviral Res. 2020 Apr;176:104742. PubMed: https://pubmed.gov/32057769. Fulltext: https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2020.104742

Identifizierung einer besonderen, furinähnlichen Spaltstelle im Spike-Protein von SARS-CoV-2, die in anderen SARS-ähnlichen CoVs fehlt. Hat mögliche Auswirkungen auf die Entwicklung von antiviralen Substanzen.

Hoffmann M, Kleine-Weber H, Schroeder S, et al. SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor. Cell. 2020 Mar 4. pii: S0092-8674(20)30229-4. PubMed: https://pubmed.gov/32142651. Fulltext: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.052

Diese Arbeit zeigt, wie der Viruseintritt erfolgt. SARS-CoV-2 verwendet den SARS-CoV-Rezeptor ACE2 für den Eintritt und die Serinprotease TMPRSS2 für das S-Protein-Priming. Seren genesener SARS-Patienten neutralisierten den Eintritt.

Lan J, Ge J, Yu J, et al. Structure of the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain bound to the ACE2 receptor. Nature. Published: 30 March 2020. Full-text: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2180-5

Aufklärung der Interaktion zwischen SARS-CoV-2-Rezeptorbindungsdomäne (RBD) und ACE2-Rezeptor, mittels Röntgenkristallographie. Der Bindungsmodus ist SARS-CoV sehr ähnlich. Einige Residuen in der RBD werden identifiziert, die essentiell für die Bindung sind.

Letko M, Marzi A, Munster V. Functional assessment of cell entry and receptor usage for SARS-CoV-2 and other lineage B betacoronaviruses. Nat Microbiol. 2020 Apr;5(4):562-569. PubMed: https://pubmed.gov/32094589. Full-text: https://doi.org/10.1038/s41564-020-0688-y

Entwicklung einer kostengünstigen Analyse-Plattform, mit der große Gruppen von Viren schnell funktionell auf Eintritt und Zelltropismus gescreent werden können. Wirtsproteasen bilden für Beta-CoV eine Barriere, die von einigen Viren umgangen werden kann.

Monteil V, Kwon H, Patricia Prado P, et al. Inhibition of SARS-CoV-2 infections in engineered human tissues using clinical-grade soluble human ACE2. Cell 2020. DOI: 10.1016/j.cell.2020.04.004. https://www.cell.com/pb-assets/products/coronavirus/CELL_CELL-D-20-00739.pdf.

Diese Studie zeigt, dass menschliches, rekombinantes und lösliches ACE2 (hrsACE2) SARS-CoV-2-Infektionen von verschiedenen Zellen verhindern kann. Bei ARDS-Patienten war hrsACE2 in einem breiten Dosisbereich unwirksam, aber sicher. Apeiron Biologics plant ab April eine randomisierte Studie an 200 COVID-19-Patienten.

Ou X, Liu Y, Lei X, et al. Characterization of spike glycoprotein of SARS-CoV-2 on virus entry and its immune cross-reactivity with SARS-CoV. Nat Commun. 2020 Mar 27;11(1):1620. PubMed: https://pubmed.gov/32221306. Fulltext: https://doi.org/10.1038/s41467-020-15562-9

Mehr zum Viruseintritt und zu der (hier limitierten) Kreuz-Neutralisation zwischen SARS-CoV und SARS-CoV-2.

Shang J, Ye G, Shi K. Structural basis of receptor recognition by SARS-CoV-2. Nature 2020, March 30. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2179-y.

Wie gut erkennt SARS-CoV-2 den hACE2-Rezeptor? Besser als andere Coronaviren wie  SARS-CoV und RaTG13 (aus Fledermäusen), die ACE2-Bindungsaffinität ist höher. Beschrieben werden funktionell wichtige Epitope in der RBD von SARS-CoV-2, sie könnten Ziel neutralisierender Antikörper sein.

Wang Q, Zhang Y, Wu L, et al. Structural and Functional Basis of SARS-CoV-2 Entry by Using Human ACE2. Cell. 2020 Apr 7. pii: S0092-8674(20)30338-X. PubMed: https://pubmed.gov/32275855. Full-text: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.045

Atomare Details der Kristallstruktur des SARS-CoV-2-Spike-Proteins im Komplex mit menschlichem ACE2-Rezeptor. Der hACE2-Bindungsmodus von SARS-CoV-2 scheint SARS-CoV ähnlich zu sein, aber einige wichtige Substitutionen verstärken die Affinität für die Rezeptorbindung. Antikörperexperimente zeigen bemerkenswerte Unterschiede in der Antigenität zwischen SARS-CoV und SARS-CoV-2.

Yan R, Zhang Y, Li Y, Xia L, Guo Y, Zhou Q. Structural basis for the recognition of SARS-CoV-2 by full-length human ACE2. Science. 2020 Mar 27;367(6485):1444-1448. PubMed: https://pubmed.gov/32132184. Full-text: https://doi.org/10.1126/science.abb2762

Mittels Kryo-Elektronenmikroskopie wird gezeigt, wie SARS-CoV-2 an menschliche Zellen bindet. Der erste Schritt beim Eintritt in das Virus ist die Bindung des viralen Spike-Proteins an das Angiotensin-Converting-Enzym 2 (ACE2) des menschlichen Rezeptors.

Yuan M, Wu NC, Zhu X, et al. A highly conserved cryptic epitope in the receptor-binding domains of SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Science. 2020 Apr 3. pii: science.abb7269. PubMed: https://pubmed.gov/32245784. Full-text: https://doi.org/10.1126/science.abb7269

Einblicke in die Antikörpererkennung und wie SARS-CoV-2 durch die humorale Reaktion gezielt attackiert werden kann. Ein konserviertes Epitop wird beschrieben, das zwischen SARS-CoV und SARS-CoV-2 geteilt wird und für Impfstoffe und die kreuzreaktiver Antikörper verwendet werden könnte.

Zhang L, Lin D, Sun X, et al. Crystal structure of SARS-CoV-2 main protease provides a basis for design of improved alpha-ketoamide inhibitors. Science. 2020 Mar 20. PubMed: https://pubmed.gov/32198291. Fulltext: https://doi.org/10.1126/science.abb3405

Genaue Beschreibung der Hauptprotease (Mpro, 3CLpro) von SARS-CoV-2, die für die Verarbeitung der aus der viralen RNA translatierten Polyproteine ​​essentiell ist. Ein Komplex aus Mpro und einem optimierten Protease-α-Ketoamid-Inhibitor wird ebenfalls beschrieben.

RNA-abhängige RNA-Polymerase (RdRp)

Gao Y, Yan L, Huang Y, et al. Structure of the RNA-dependent RNA polymerase from COVID-19 virus. Science. 2020 Apr 10. pii: science.abb7498. PubMed: https://pubmed.gov/32277040. Full-text: https://doi.org/10.1126/science.abb7498

Mithilfe der Kryoelektronenmikroskopie wird die Struktur der RNA-abhängigen RNA-Polymerase dargestellt, einem weiteren zentralen Enzym der viralen Replikationsmaschinerie. Es wird auch gezeigt, wie Remdesivir und Sofosbuvir an diese Polymerase binden.

Andere wichtige virologische Paper

Chan JF, Zhang AJ, Yuan S, et al. Simulation of the clinical and pathological manifestations of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) in golden Syrian hamster model: implications for disease pathogenesis and transmissibility. Clin Infect Dis. 2020 Mar 26. PubMed: https://pubmed.gov/32215622. Fulltext: https://doi.org/10.1093/cid/ciaa325

Ein leicht verfügbares Hamstermodell, an dem Übertragung, Pathogenese, Behandlung und Impfungen gegen SARS-CoV-2 getestet werden könnten.

Le TT, Andreadakis Z, Kumar A, et al. The COVID-19 vaccine development landscape. Nature reviews drug discovery. 09 April 2020. doi: 10.1038/d41573-020-00073-5. Full-text: https://www.nature.com/articles/d41573-020-00073-5.

Kurze Übersicht zur Impfung. Ein Impfstoff könnte bis Anfang 2021 verfügbar sein. Am 8. April 2020 umfasst die globale Impfstofflandschaft 115 Kandidaten, von denen die 5 am weitesten fortgeschrittenen Kandidaten bereits in klinisch getestet werden. Darunter mRNA-1273 von Moderna, Ad5-nCoV von CanSino Biologics, INO-4800 von Inovio, LV-SMENP-DC und pathogenspezifische aAPC vom Shenzhen Geno-Immune Medical Institute. Das Rennen hat begonnen!

Monto AS, DeJonge P, Callear AP, et al. Coronavirus occurrence and transmission over 8 years in the HIVE cohort of households in Michigan. J Infect Dis. 2020 Apr 4. pii: 5815743. PubMed: https://pubmed.gov/32246136. Full-text: https://doi.org/10.1093/infdis/jiaa161

Es ist nicht klar, ob sich SARS-CoV-2 wie andere menschliche Coronaviren (hCoVs) verhält. In dieser longitudinalen Kohortenstudie von Kindern und ihren Haushalten aus Michigan waren hCoV-Infektionen stark saisonabhängig und zeigten im Februar einen Spitzenwert für verschiedene HCoV-Typen (229E, HKU1, NL63, OC43). Über 8 Jahre traten nach März fast keine HCoV-Infektionen auf.