Neue Erkenntnisse darüber, wie die Vogelgrippe die Artengrenze überwindet

In den letzten Jahren konnten durch Maßnahmen des öffentlichen Gesundheitswesens, Überwachung und Impfungen erhebliche Fortschritte bei der Eindämmung der Auswirkungen saisonaler Grippeepidemien erzielt werden, die durch die menschlichen Grippeviren A und B verursacht werden. Ein möglicher Ausbruch der Vogelgrippe A (gemeinhin als „Vogelgrippe“ bekannt) bei Säugetieren, einschließlich des Menschen, stellt jedoch eine erhebliche Bedrohung für die öffentliche Gesundheit dar.

Die Cusack-Gruppe am EMBL Grenoble untersucht den Replikationsprozess von Grippeviren. Eine neue Studie dieser Gruppe beleuchtet die verschiedenen Mutationen, die das Vogelgrippevirus durchlaufen kann, um sich in Säugetierzellen replizieren zu können.

Einige Vogelgrippe-Stämme können schwere Krankheiten und Todesfälle verursachen. Glücklicherweise verhindern erhebliche biologische Unterschiede zwischen Vögeln und Säugetieren normalerweise, dass sich die Vogelgrippe von Vögeln auf andere Arten ausbreitet. Um Säugetiere zu infizieren, muss das Vogelgrippevirus mutieren und zwei Hauptbarrieren überwinden: die Fähigkeit, in die Zelle einzudringen und sich in dieser Zelle zu replizieren. Um eine Epidemie oder Pandemie auszulösen, muss es außerdem die Fähigkeit entwickeln, zwischen Menschen übertragen zu werden.

Allerdings kommt es immer häufiger vor, dass wilde und domestizierte Säugetiere sporadisch mit der Vogelgrippe infiziert werden. Besonders besorgniserregend ist die kürzlich erfolgte unerwartete Infektion von Milchkühen in den USA mit einem Vogelgrippestamm vom Typ H5N1, der bei Rindern endemisch werden könnte. Dies könnte die Anpassung an den Menschen erleichtern, und tatsächlich wurden einige Fälle von Übertragung auf den Menschen gemeldet, die bisher nur leichte Symptome verursachten.

Im Mittelpunkt dieses Prozesses steht die Polymerase, ein Enzym, das die Replikation des Virus in den Wirtszellen steuert. Dieses flexible Protein kann sich je nach den verschiedenen Funktionen, die es während der Infektion erfüllt, neu anordnen. Dazu gehören die Transkription – das Kopieren der viralen RNA in Messenger-RNA zur Herstellung viraler Proteine ​​– und die Replikation – das Erstellen von Kopien der viralen RNA zur Verpackung in neue Viren.

Die Virusreplikation ist ein komplexer Prozess, da an ihr zwei Viruspolymerasen und ein Wirtszellprotein – ANP32 – beteiligt sind. Zusammen bilden diese drei Proteine ​​den Replikationskomplex, eine molekulare Maschine, die die Replikation durchführt. ANP32 ist als „Chaperon“ bekannt, was bedeutet, dass es als Stabilisator für bestimmte Zellproteine ​​fungiert. Dies kann es dank einer Schlüsselstruktur tun – seinem langen sauren Schwanz. 2015 wurde entdeckt, dass ANP32 für die Replikation des Influenzavirus von entscheidender Bedeutung ist, seine Funktion war jedoch noch nicht vollständig verstanden.

Die Ergebnisse der neuen Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Naturkommunikation, zeigen, dass ANP32 als Brücke zwischen den beiden viralen Polymerasen fungiert – Replikase und Enkapsidase genannt. Die Namen spiegeln die zwei unterschiedlichen Konformationen wider, die die Polymerasen einnehmen, um zwei verschiedene Funktionen auszuführen – das Erstellen von Kopien der viralen RNA (Replikase) und das Verpacken der Kopie in eine Schutzhülle mit Hilfe von ANP32 (Enkapsidase).

Über seinen Schwanz wirkt ANP32 als Stabilisator für den Replikationskomplex und ermöglicht dessen Bildung innerhalb der Wirtszelle. Interessanterweise unterscheidet sich der ANP32-Schwanz bei Vögeln und Säugetieren, obwohl der Kern des Proteins sehr ähnlich bleibt. Dieser biologische Unterschied erklärt, warum sich das Vogelgrippevirus bei Säugetieren und Menschen nicht so leicht repliziert.

„Der Hauptunterschied zwischen Vogel- und menschlichem ANP32 ist eine 33-Aminosäure-Einfügung im Vogelschwanz, und die Polymerase muss sich an diesen Unterschied anpassen“, erklärte Benoît Arragain, Postdoktorand in der Cusack-Gruppe und Erstautor der Veröffentlichung. „Damit sich die an Vögel angepasste Polymerase in menschlichen Zellen replizieren kann, muss sie bestimmte Mutationen erwerben, um menschliches ANP32 verwenden zu können.“

Um diesen Prozess besser zu verstehen, haben Arragain und seine Mitarbeiter die Struktur der Replikase- und Enkapsidase-Konformationen einer an den Menschen angepassten Vogelgrippe-Polymerase (vom Stamm H7N9) ermittelt, während diese mit menschlichem ANP32 interagierten. Diese Struktur liefert detaillierte Informationen darüber, welche Aminosäuren für die Bildung des Replikationskomplexes wichtig sind und welche Mutationen es der Vogelgrippe-Polymerase ermöglichen könnten, sich an Säugetierzellen anzupassen.

Um diese Ergebnisse zu erhalten, führte Arragain In-vitro-Experimente am EMBL Grenoble durch und nutzte dabei die Eukaryotic Expression Facility, die biophysikalische Plattform des ISBG und die Kryo-Elektronenmikroskopie-Plattform, die über die Partnership for Structural Biology zur Verfügung stehen.

„Wir haben auch mit der Naffakh-Gruppe am Institut Pasteur zusammengearbeitet, die zelluläre Experimente durchgeführt hat“, fügte Arragain hinzu. „Darüber hinaus haben wir die Struktur des Replikationskomplexes des menschlichen Influenza-Typs B erhalten, der dem des Influenza-Typs A ähnelt. Die zellulären Experimente haben unsere Strukturdaten bestätigt.“

Diese neuen Erkenntnisse über den Replikationskomplex des Influenzavirus können dazu genutzt werden, Polymerasemutationen in anderen ähnlichen Stämmen des Vogelgrippevirus zu untersuchen. Es ist daher möglich, die aus dem Stamm H7N9 gewonnene Struktur zu verwenden und sie an andere Stämme wie H5N1 anzupassen.

„Die Gefahr einer neuen Pandemie durch hochpathogene, an den Menschen angepasste Vogelgrippestämme mit einer hohen Sterblichkeitsrate muss ernst genommen werden“, sagte Stephen Cusack, leitender Wissenschaftler am EMBL Grenoble, der die Studie leitete und seit 30 Jahren Grippeviren erforscht.

„Eine der wichtigsten Antworten auf diese Bedrohung besteht darin, Mutationen des Virus im Feld zu überwachen. Die Kenntnis dieser Struktur ermöglicht es uns, diese Mutationen zu interpretieren und zu beurteilen, ob sich ein Stamm anpasst, um Säugetiere zu infizieren und zwischen ihnen zu übertragen.“

Diese Ergebnisse sind auch für die langfristige Entwicklung von Grippemedikamenten von Nutzen, da es noch keine Medikamente gibt, die speziell auf den Replikationskomplex abzielen. „Aber das ist erst der Anfang“, sagte Cusack. „Als nächstes wollen wir verstehen, wie der Replikationskomplex dynamisch funktioniert, das heißt genauer wissen, wie er aktiv repliziert.“

Die Gruppe hat bereits erfolgreich ähnliche Studien zur Rolle der Influenza-Polymerase im viralen Transkriptionsprozess durchgeführt.