15.09.2020 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Mechanismus entdeckt, wie das Coronavirus die Zelle kapert

Ansatzpunkt für die Impfstoff-​ und Medikamentenentwicklung

Forscher der ETH Zürich und der Universität Bern haben einen Mechanismus entdeckt, wie das Coronavirus menschliche Zellen manipuliert, um seine eigene Vermehrung sicherzustellen. Dieses Wissen wird helfen, Medikamente und Impfstoffe gegen das Coronavirus zu entwickeln.

Wie ein Pirat, der ein Schiff kapert, übernimmt ein Virus die Kontrolle über eine infizierte Zelle, denn jedes Virus ist für seine Vermehrung auf die Ressourcen und molekularen Maschinen der Zelle angewiesen. Das gilt auch für Sars-​CoV-2, den Auslöser der Covid-​19-Pandemie. Forscher der ETH Zürich und der Universität Bern haben nun einen Mechanismus entdeckt, den das Coronavirus benutzt, um die Herstellung seiner Proteine gegenüber den zelleigenen zu bevorzugen. Dieser Mechanismus führt dazu, dass die Zellen die Produktion der eigenen Proteine stark reduzieren und stattdessen fast nur noch Virusproteine produzieren. So wird nicht nur die Produktion neuer Viren angeregt, sondern auch die Immunantwort gegen die Coronainfektion gehemmt.

Nachdem bei einer Sars-​CoV-2 Infektion das Virus in eine menschliche Zelle eingeschleust wurde, wird das Protein NSP1 als eines der ersten Virusproteine hergestellt. Von anderen Coronaviren wusste man bereits, dass NSP1 die Produktion von zelleigenen Proteinen hemmt, jedoch war bisher nicht bekannt, wie dies geschieht.  Nun haben die Wissenschaftler der ETH Zürich und Universität Bern herausgefunden, wie NSP1 die zelluläre Proteinproduktion hemmt. Diese Arbeit wurde nun veröffentlicht. Sie ergänzt die Erkenntnisse, welche ein anderes Forscherteam aus Deutschland jüngst publizierte.

Ansatzpunkt für die Impfstoff-​ und Medikamentenentwicklung

Ribosomen sind die zellulären Maschinen, welche Proteine herstellen. Dazu lesen sie den Bauplan, die sogenannte Boten-​RNA, für ein gegebenes Protein ab und fügen die Aminosäuren in der entsprechenden Reihenfolge zusammen. Beim Ablesen passiert die Boten-​RNA einen Kanal im Ribosom. Die Forscher konnten zeigen, dass NSP1 innerhalb des Kanals bindet und so das Ribosom blockiert. Mittels der Kryo-​Elektronenmikroskopie konnte die Bindungsstelle von NSP1 mit atomarer Auflösung dargestellt werden. «Dieses detaillierte Abbild liefert wichtige Informationen zum Design eines möglichen künftigen Medikamentes, welches die Bindung von NSP1 verhindert, die ribosomale Funktion aber nicht beeinträchtigt. Wenn NSP1 nicht mehr mit dem Ribosom interagieren kann, wird die zelluläre Immunantwort angeregt und die Virusvermehrung gestoppt», erläutert Nenad Ban, Professor für Molekularbiologie an der ETH Zürich und Mitautor der Studie.

Mittels biochemischer und zellulärer Experimente konnten die Forschenden zeigen, dass NSP1 allein genügt, um die Proteinproduktion zu hemmen. Basierend auf dem detaillierten Abbild der Bindungsweise von NSP1 konnten sie abgeänderte NSP1 Varianten herstellen, die ihre hemmende Wirkung verloren haben. Sars-​CoV-2 Viren mit solchen inaktiven Varianten des NSP1 Proteins würden so abgeschwächt sein, dass sie sich nicht mehr vermehren und somit auch keine starke Krankheit mehr auslösen können. Solche abgeschwächten, inaktiven Viren können als Impfstoff verwendet werden; ein Prinzip, auf dem bereits viele andere Impfungen gegen Viruskrankheiten basieren.

Weiterhin interessierte die Wissenschaftler die Frage, warum die Virenproteine in grossen Mengen hergestellt werden trotz der Hemmung der Ribosomenfunktion durch NSP1. Sie fanden heraus, dass die virale RNA die Eigenschaft hat, verglichen zu den zellulären Boten-​RNAs, sehr effizient von den Ribosomen abgelesen zu werden. «Durch die Blockierung von Ribosomen durch NSP1 werden funktionsfähige Ribosomen knapp, und gleichzeitig kann die virale RNA fast die Hälfte der gesamten RNA in der Zelle ausmachen. Unter diesen Bedingungen wird die virale RNA von den noch funktionsfähigen Ribosomen gegenüber den zelleigenen Boten-​RNAs bevorzugt abgelesen.» erklärt Oliver Mühlemann, Professor für Biochemie an der Universität Bern und ebenfalls Mitautor der Studie.

Forschungsprojekt in Rekordzeit

Von Beginn des Forschungsprojektes bis zur Publikation sind nur wenige Monate vergangen. «Die komplementäre Expertise der beteiligten Forschenden erlaubte ein sehr schnelles und effizientes Vorankommen in diesem Projekt», sagt Oliver Mühlemann. Alle drei beteiligten Forschungsgruppen sind Teil des Nationalen Forschungsschwerpunktes (NFS) RNA & Krankheit, welcher vom Schweizer Nationalfonds sowie der Universität Bern und der ETH Zürich finanziert wird. Die drei Forschungsgruppen werden weiterhin eng zusammenarbeiten, um weitere Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie Sars-​CoV-2 die Zelle zu eigenen Gunsten manipuliert.

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Coronavirus
  • SARS-CoV-2
  • Covid-19
  • Proteinproduktion
  • Viren
  • Virusproteine
  • Medikamentenentwicklung
  • Impfstoffentwicklung
  • Ribosomen
  • Kryo-Elektronenmikroskopie

Mehr über ETH Zürich

  • News

    Die Achillesferse des Coronavirus

    Das Sars-​CoV-2-Virus ist für die Produktion seiner Proteine auf einen speziellen Mechanismus angewiesen. Ein Forscherteam unter der Leitung einer Forschungsgruppe an der ETH Zürich konnte nun molekulare Einblicke in die Proteinproduktion des Virus gewinnen. Das Team zeigt zudem auf, wie ch ... mehr

    Mit künstlicher Intelligenz zu besseren Antikörper-Medikamenten

    Methoden des maschinellen Lernens helfen bei der Entwicklung von Antikörper-​Medikamenten, diese zu optimieren. Das führt zu Wirkstoffen mit verbesserten Eigenschaften, auch bezüglich Verträglichkeit im Körper. Antikörper werden nicht nur von unseren Immunzellen hergestellt, um im Körper Vi ... mehr

    Zellen als Computer

    Wissenschaftler der ETH Zürich sind dran, informationsverarbeitende Schaltsysteme in biologischen Zellen zu entwickeln. Sie haben nun zum ersten Mal in menschlichen Zellen eine Oder-​Schaltung entwickelt. Diese reagiert auf unterschiedliche Signale. Biologische Zellen sollen dereinst mit kü ... mehr

  • q&more Artikel

    Analytik in Picoliter-Volumina

    Zeit, Kosten und personellen Aufwand senken – viele grundlegende sowie angewandte analytische und diagnostische Herausforderungen können mit Lab-on-a-Chip-Systemen realisiert werden. Sie erlauben die Verringerung von Probenmengen, die Automatisierung und Parallelisierung von Arbeitsschritte ... mehr

    Investition für die Zukunft

    Dies ist das ganz besondere Anliegen und gleichzeitig der Anspruch von Frau Dr. Irmgard Werner, die als Dozentin an der ETH Zürich jährlich rund 65 Pharmaziestudenten im 5. Semester im Praktikum „pharmazeutische Analytik“ betreut. Mit Freude und Begeisterung für ihr Fach stellt sie sich imm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Petra S. Dittrich

    Jg. 1974, ist Außerordentliche Professorin am Department Biosysteme der ETH Zürich. Sie studierte Chemie an der Universität Bielefeld und Universidad de Salamanca (Spanien). Nach der Promotion am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen war sie Postdoktorandin am ISAS In ... mehr

    Dr. Felix Kurth

    Jg. 1982, studierte Bioingenieurwesen an der Technischen Universität Dortmund und an der Königlich Technischen Hochschule in Stockholm. Für seine Promotion, die er 2015 von der Eidgenössisch Technischen Hochschule in Zürich erlangte, entwickelte er Lab-on-a-Chip Systeme und Methoden zur Qua ... mehr

    Lucas Armbrecht

    Jg. 1989, studierte Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg im Breisgau. Während seines Masterstudiums konzentrierte er sich auf die Bereiche Sensorik und Lab-on-a-Chip. Seit dem Juni 2015 forscht er in der Arbeitsgruppe für Bioanalytik im Bereich Einzelzellanalytik ... mehr

Mehr über Universität Bern

  • News

    Forscher bauen hochentwickelte «Lunge auf Chip»

    Forschende der Universität Bern und des Inselspitals, Universitätsspital Bern haben ein Lungen-Modell der zweiten Generation mit lebensgrossen Lungenbläschen in einer rein biologischen, dehnbaren Membran entwickelt. Das neue Modell bildet das Lungengewebe viel lebensnäher nach als bisherige ... mehr

    Berner Coronavirus-Klon geht «viral»

    Forscher der Virologie und Veterinärbakteriologie der Universität Bern haben das neue Coronavirus (SARS-CoV-2) geklont. Diese synthetischen Klone werden nun von Forschergruppen weltweit eingesetzt, um Corona-Proben zu testen, antivirale Medikamente zu finden, und möglichst rasch Impfstoffe ... mehr

    Darmbakterien steuern die Darmbewegung

    Darmbakterien unterstützen eine gesunde Verdauung, indem sie den Nervenzellen im Darm helfen, die Kontraktion und Entspannung der Muskelwand des Dickdarms zu regulieren. Dies haben Forschende des Crick-Instituts in London, der Universität Bern und des Inselspitals, Universitätsspital Bern e ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: