Genomanalyse von SARS-CoV-2-Stämmen während zweier Infektionswellen

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In einer Studie wurde das Genom von 5.085 SARS-CoV-2-Stämmen in Houston/Texas sequenziert, einer multinationalen Ballungsregion mit sieben Millionen Einwohnern. Ursprünglich war das Virus an vielen verschiedenen Orten der Region unabhängig voneinander aufgetreten. Insgesamt waren bis Ende August in der Region 135.866 COVID-19-Fälle registriert worden. Die untersuchten Virusgenome stammen aus der ersten Pandemiephase im März und aus einer zweiten, massiven Pandemiewelle im Juni.

Dies ist die erste vollständige molekulargenetische Analyse von SARS-CoV-2 aus zwei verschiedenen Infektionswellen in einem urbanen Ballungsgebiet. Die untersuchten Proben stammen von 9.121 positiven Patienten, was ca. 17% aller bestätigten Infektionen entsprach. Es fanden sich sehr viele verschiedene Virusstämme; zu Beginn waren diese aus anderen Gebieten der USA, Europa, Asien und Südamerika. In der zweiten Welle wiesen praktisch alle Stämme einen Gly614-Aminosäure-Austausch im Spike-Protein auf (anstelle Asp614), ein Polymorphismus, der bereits mit einer zunehmenden Übertragung und Infektiosität in vitro in Verbindung gebracht wurde. Infektionen mit einer Gly614-Variante gingen mit einer signifikant höheren nasopharyngealen Viruslast einher. Es wurden jedoch so gut wie keine Belege für eine Assoziation zwischen Virusgenomtyp und Virulenz gefunden, was einen Zusammenhang der Erkrankungsschwere mit Vorerkrankungen und einer genetischen Disposition nahelegt. In der zweiten Welle waren signifikant mehr Lateinamerikaner sowie jüngere Patienten mit weniger Komorbiditäten und niedrigerem Einkommen betroffen. Neben verschiedenen Großereignissen könnte auch der Gly614-Aminosäure-Austausch die Übertragung des Virus im Großraum Houston begünstigt und zu der massiven zweiten Ansteckungswelle geführt haben.

In der Studie wiesen manche Regionen im Spike-Protein, der primären Zielstruktur vieler Impfstoffe, besonders viele Aminosäure-Austausche auf – ein Hinweis auf genetische Selektionsprozesse. Es ist bekannt, dass einige natürlicherweise vorkommenden Aminosäure-Austausche in rezeptorbindenden Domänen (RBD) von SARS-CoV-2-Stämmen zur verminderten Reaktivität mit neutralisierenden Antikörpern führen (passend zur Hypothese, dass durch den immunologischen Selektionsdruck seitens des Wirtes Virusvarianten entstehen können). Die Genomdaten wurden vollständig auf spezifische Aminosäure-Austausche in der RBD des Spike-Proteins durchsucht, die eine verminderte Erkennung durch den neutralisierenden monoklonalen Antikörper CR3022 verursachen und potenziell der humoralen Immunantwort entgehen könnten. (Anmerkung: Der Antikörperklon CR3022 wurde ursprünglich von einem genesenen Patienten aus Singapur isoliert und wird in vielen Neutralisationstests für verschiedene SARS-CoV-Stämme eingesetzt.) Es wurden drei Mutationen bzw. RBD-Varianten (F338L, S373P, R408T) mit deutlich verminderter CR3022-Affinität gefunden.

Die Ergebnisse zeigen die große Diversität des Virus über zwei Infektionswellen der Region Houston. Trotz der großen Zahl schätzen die Autoren, dass die Proben nur ca. 10% der tatsächlichen Fälle repräsentieren und somit die genomische Vielfalt noch unterschätzen und nicht alle Aminosäure-Austausche gefunden wurden. Die Ergebnisse der Studie sind eine wichtige Datenquelle für künftige Untersuchungen zur molekularen Evolution und Ausbreitung von SARS-CoV-2, sie können helfen, Ursprung, Struktur und Ausbreitungsrichtung künftiger Wellen zu erkennen, Auswirkungen auf die Immunantwort zu verstehen und neue Therapieansätze zu entwickeln.

Long SW, Olsen RJ, Christensen PA et al. Molecular architecture of early dissemination and massive second wave of the SARS-CoV-2 virus in a major metropolitan area. mBio 2020; 11: e02707-20

https://mbio.asm.org/content/11/6/e02707-20