Wie eine frühe Mutation des COVID-19-Virus dazu beigetragen hat, dass es sich so schnell verbreitete

Die rasche Ausbreitung von COVID-19 könnte teilweise auf Veränderungen in der Struktur des SARS-CoV-2-Virus zurückzuführen sein, die durch eine frühe Mutation in seinem Genom verursacht wurden, wie eine detaillierte Analyse von RIKEN-Forschern nahelegt. Der Befund, veröffentlicht in der Biophysikalische Zeitschriftkönnte dazu beitragen, die Entwicklung von Impfstoffen und antiviralen Medikamenten der nächsten Generation zu informieren.

Alpha, Delta, Omicron und andere besorgniserregende Varianten haben während der gesamten COVID-19-Pandemie Schlagzeilen gemacht. Aber die bedeutendste Mutation könnte in den frühen Tagen der Pandemie aufgetreten sein und es dem Virus ermöglicht haben, sich so schnell zu verbreiten.

Yuji Sugita vom RIKEN Center for Computational Science (R-CCS) und Hisham Dokainish, der zum Zeitpunkt der Studie am R-CCS war, untersuchten die Auswirkungen von Mutationen auf die Virusstruktur. Sie taten dies, indem sie die atomaren Positionen von Molekülen simulierten, die in verschiedenen Formen des wichtigen Spike-Proteins des Virus gefunden wurden – ein Werkzeug, das Coronaviren verwenden, um menschliche Zellen zu binden und in sie einzudringen.

Sie fanden heraus, dass die Substitution einer einzelnen Aminosäure die Form dieses Proteins veränderte und SARS-CoV-2 dabei half, sich an menschliche Wirte anzupassen. Dieser Befund zeigt, wie selbst winzige Mutationen – in diesem Fall der Austausch einer einzelnen Aminosäure – die Proteindynamik stark beeinflussen können.

Um zu verstehen, warum sich die Mutation für das Virus als so vorteilhaft erwiesen hat, führte das Paar detaillierte Simulationen der Struktur und Stabilität des Proteins durch. Ihre Analyse – durchgeführt mit dem Supercomputer RIKEN Fugaku, einem der schnellsten der Welt – enthüllte, wie die Mutation (bekannt als D614G) eine ionische Bindung mit einer zweiten Untereinheit des Spike-Proteins aufbricht. Es verändert auch die Form einer nahe gelegenen Schleifenstruktur, die die Ausrichtung des gesamten Proteins verändert und es in einer Form fixiert, die es dem Virus erleichtert, in die Zellen einzudringen.

„Eine einzelne und lokale Änderung einer Interaktion innerhalb des Moleküls, die durch eine einzelne Mutation verursacht wird, könnte die globale Struktur des Spike-Proteins beeinflussen“, erklärt Sugita, die zusätzlich dem RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research angegliedert ist. Die resultierende Mutante erwies sich als besser bei der Replikation und Übertragung zwischen menschlichen Wirten, und die D614G-Linie überflügelte schnell ihre Ahnenlinien und verbreitete sich auf der ganzen Welt. Es bleibt ein fester Bestandteil jeder nachfolgenden dominanten Variante.

Sugitas Team führt nun ähnliche Untersuchungen von adaptiven viralen Mutationen durch, die später im Verlauf der Pandemie entstanden sind, darunter auch solche, die in der Omicron-Variante gefunden wurden.

„Die aus unseren Molekulardynamik-Simulationen gewonnenen Informationen sollten dazu beitragen, die Möglichkeiten für uns zu verbessern, wirksame Medikamente und andere Medikamente zu finden“, sagt er.