Forscher erklären Ursprünge gefährlicher Coronavirus-Varianten

HSE-Forscher haben in Zusammenarbeit mit ihren Kollegen von Skoltech und dem Central Research Institute for Epidemiology die Mechanismen hinter der Entstehung neuer und gefährlicher Coronavirus-Varianten wie Alpha, Delta, Omicron und andere aufgedeckt. Sie haben entdeckt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass eine Substitution an einer bestimmten Stelle des SARS-CoV-2-Genoms auftritt, von übereinstimmenden Substitutionen an anderen Stellen abhängt.

Dies erklärt, warum unerwartet neue und ansteckendere Varianten des Virus auftauchen können, die sich erheblich von denen unterscheiden, die zuvor zirkulierten. Die Ergebnisse der Studie wurden in veröffentlicht eLife.

Alle Viren, einschließlich des für die Coronavirus-Pandemie verantwortlichen SARS-CoV-2-Virus, verändern sich im Laufe der Zeit. Je länger ein Virus in der Bevölkerung zirkuliert und je mehr Individuen es infiziert, desto mehr Veränderungen (Mutationen) häuft es an. Typischerweise ähneln neue Virenstämme ihren Elternstämmen.

In einigen Fällen können Mutationen jedoch zu Varianten führen, die besser an die Umwelt angepasst sind und ein höheres Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen. Diese Varianten breiten sich in der Regel schneller aus, sprechen möglicherweise nicht auf bestehende Impfstoffe oder Behandlungen an und sind möglicherweise schwieriger zu diagnostizieren.

In der Geschichte des Coronavirus gab es verschiedene Fälle von hochaktiven Varianten, die unerwartet auftauchten. Die in Großbritannien entdeckten Stämme sowie Delta- und Omicron-Stämme tauchten scheinbar aus dem Nichts auf und verbreiteten sich blitzschnell. Alle diese Stämme unterscheiden sich signifikant vom ursprünglichen Wuhan-Stamm und voneinander durch mehrere Mutationen. Die Wissenschaftler konnten jedoch keine Zwischen- oder Übergangsvarianten entdecken, die eine konsistente Häufung dieser Veränderungen zeigen würden.

„Die Entwicklung eines Virus innerhalb einer Population kann mit einer Reise durch ein riesiges Gelände mit Schluchten, Tälern und Hügeln verglichen werden. Das Virus wandert willkürlich durch diese Landschaft, stirbt schnell, wenn es in einen Hohlraum fällt, und überlebt länger in Tälern und gedeihen, wenn sie Spitzenleistungen erbringen“, sagt der Co-Autor der Studie, Senior Researcher des HSE International Laboratory of Statistical and Computational Genomics Alexey Neverov.

„Die Fitnesslandschaft des Coronavirus gleicht eher einer riesigen Wasserfläche mit verstreuten Inseln, die die Virusvarianten darstellen, die sich durch eine bestimmte Menge an Mutationen voneinander unterscheiden. Um von einer Insel zur anderen zu gelangen, muss man lange mit dem Boot reisen während und vermeiden zu ertrinken. Die Wissenschaft hat noch keine genaue Antwort darauf, wie sich das Virus zwischen diesen Inseln ausbreitet.“

Nach der Analyse von über drei Millionen Genomsequenzen verschiedener Stämme von SARS-CoV-2 konnten die russischen Forscher bestimmte Stellen auf dem Oberflächenprotein des Coronavirus identifizieren, an denen Aminosäuresubstitutionen auftraten, wodurch die Varianten sowohl vom ursprünglichen Wuhan-Stamm als auch von unterschieden wurden einander.

Viele dieser Stellen schienen sich gleichzeitig zu entwickeln, so dass auf Änderungen der Aminosäuren an einer Stelle schnell Änderungen an einer anderen Stelle folgten. Alle aktiven und gefährlichen Varianten des Virus unterschieden sich von den zuvor vorherrschenden Varianten durch Muster mehrfacher Substitutionen.

„Der Prozess des Umzugs von einer Insel zur anderen beinhaltet eine Anhäufung von Mutationen. Während das Virus ‚schwimmend‘ ist, ist es anfällig und schlecht angepasst. Tatsächlich kann es eine andere Insel nur erreichen, wenn es eine Art Boot hat Coronavirus, Personen mit Langzeit-COVID-19 können möglicherweise eine Ansammlung von Varianten beherbergen, die für das Überleben in der Allgemeinbevölkerung schlecht geeignet sind.Im Laufe der Zeit können sich diese Varianten jedoch zu stärkeren Formen entwickeln, die das Potenzial haben, sich weit zu verbreiten und das Virus zu erobern Welt“, erklärt Neverov.

Die Studienautoren schlagen eine Erklärung dafür vor, warum Zwischenvarianten, die sich vom ursprünglichen Virus nur durch ein oder zwei Substitutionen unterscheiden, möglicherweise nicht sichtbar sind. Es ist möglich, dass diese „schwachen“ Varianten erst dann „stark“ werden, wenn sie das gesamte Muster individuell schädlicher Substitutionen erfassen. Infolgedessen ist es schwierig, die Entstehung eines neuen hochgradig anpassungsfähigen Stammes vorherzusagen.

Die von den Autoren der Studie verwendete statistische Methode ist vielseitig und kann verwendet werden, um die Evolution zahlreicher anderer Krankheitserreger zu untersuchen. Insbesondere wurde dieser Ansatz erfolgreich zur Untersuchung der Entwicklung von Influenza und Tuberkulose angewendet.