AG Niemeyer - MERS- und SARS-Coronavirus

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Forschungsschwerpunkt

Das MERS- und das SARS-Coronavirus sind human-pathogene Viren, die einen zoonotischen Ursprung haben. Sowohl im Reservoir als auch im Menschen werden regelmäßig Virusvarianten identifiziert, die Mutationen in immunmodulierenden Proteinen haben. Während einer Infektion unterdrücken diese viralen Proteine Signalwege des angeborenen Immunsystems der Wirtszelle und unterstützen auf diese Weise die Vermehrung des Virus. Veränderungen durch Mutationen können die Funktionsweise der Proteine verändern und somit den Verlauf einer Infektion beeinflussen. Derzeitige Erkenntnisse zum Infektionsverlauf von Coronaviren basieren weitestgehend auf wenigen Prototyp-Viren. Die beobachtete Diversität an unterschiedlichen Varianten ist bislang unzureichend erforscht.

Um zoonotische Übertragungen besser zu verstehen untersuchen wir immunmodulierende Proteine aus epidemischen und Reservoir-assoziierten Coronavirusstämmen. Mit verschiedenen in-vitro Assays (z.B. zur Bestimmung des Abbaus zellulärer RNA, der zellulären Lokalisation von Proteinen oder von Ubiquitinierungsmuster) wird der Einfluss von Mutationen auf die Funktion der Proteine analysiert. Mit einem reverse Genetiksystem können Mutationen gezielt im Kontext eines replizierenden Virus studiert werden. 

Projekte

Der Einfluss des akzessorischen Protein 4b auf die Infektion und Abwehr des MERS-Coronavirus

Das Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus (MERS-CoV) ist ein prototypisches, präpandemisches Virus, für das keine zugelassene Impfung verfügbar ist. Es verursacht eine Infektion der unteren Atemwege mit einer Sterblichkeit von bis zu 30%. Das MERS-CoV verfügt über einen einzigartigen zellulären Tropismus. Anders als z.B. das Influenza A Virus,  infiziert das MERS-CoV in der humanen Lunge praktisch alle Zelltypen der Alveolaroberfläche. Das MERS-CoV wird als eine ernsthafte Bedrohung für die Weltgesundheit betrachtet. Es besteht die Befürchtung, dass sich virulentere MERS-CoV Stämme in der Bevölkerung verbreiten könnten.
Virale Proteine, die die Immunantwort des Wirts modulieren, können die Pathogenität und Übertragbarkeit eines Virus beeinflussen. Das akzessorische Protein 4b (p4b) des MERS-CoV ist ein Faktor mit unterschiedlichen immun-regulatorischen Funktionen. Zum einen fungiert p4b als 2´, 5´-Phosphodiesterase, die 2´, 5´-Oligoadenylate abbaut und so die Aktivierung von RNAse L, einem wichtigen Interferon-stimulierten antiviralen Effektor und Verstärker der Interferoninduktion, verhindert. Zum anderen kodiert p4b ein funktionelles Kernlokalisierungssignal und konkurriert mit dem Transkriptionsfaktor NFκB um die Kerntranslokation. Durch diesen Mechanismus verhindert p4b die Aktivierung von NFκB, welches die Produktion von proinflammatorischen Zytokinen und das Überleben der Zellen steuert.
Verschiedene Studien haben gezeigt, dass sowohl im Reservoir, als auch im Menschen Varianten mit Veränderungen in den funktionellen Domänen von p4b zirkulieren. In einigen Virusvarianten fehlt im p4b ein Kernlokalisierungssignal. Der Verlust der Kernlokalisierung könnte dazu führen, dass p4b eine gesteigerte Aktivität im Zytosol erreicht, wodurch ein zusätzlicher Interferon-Antagonismus entstehen könnte. Da p4b nicht mehr mit NFkB um die Lokalisierung im Zellkern konkurriert, könnte zudem die NFkB-abhängige Immunantwort zunehmen. Welche Konsequenzen mit dieser veränderten Immunantwort einhergehen ist bisher nicht erkennbar.
In diesem Projekt sollen daher die Konsequenzen von genetischen Veränderungen des 4b-Gens für die Pathogenität und Übertragbarkeit des MERS-CoV untersucht werden. Hierzu werden zunächst künstliche und natürlich vorkommende p4b-Varianten durch reverse Genetik in das MERS-CoV-Genom eingebaut. In einem humanen, ex-vivo Lungeninfektionsmodell werden dann die rekombinanten MERS-CoV phänotypisch charakterisiert (Bestimmung des Replikationsniveaus und Expression von Interferon- und NFkB-induzierten Genen). Durch die Infektion von verschiedenen, primären Alveolarzelllinien sollen darüber hinaus Interaktionen zwischen den einzelnen Lungenzelltypen identifiziert werden.
 
Unsere Arbeit zum MERS-CoV Protein 4b wird durch ein Projekt des Transregio SFB-TR 84 „Innate Immunity of the Lung: Mechanisms of Pathogen Attack and Host Defence in Pneumonia“ unterstützt (Projektleitung: Christian Drosten).

Risk assessment in pre-pandemic respiratory infectious diseases (RAPID)

The project will determine whether MERS-CoV can increase its replication level upon adaptation to human cells. We will create a MERS-CoV that is deficient in its error correction function and thereby shows an increased error frequency that attenuates the virus, but enables it to adapt faster to cells than wild type. We will conduct serial passaging in cell cultures, air liquid interface cultures, as well as lung explant cultures. If MERS-CoV has adaptive capability to optimize human infection, the attenuated virus will show a limited recovery of replication level after passage. In spite of experimental adaptation, the virus will continue to be severely attenuated due to the lack of essential enzyme function.

 

Our work on MERS-CoV error correction enzyme is funded by a grant from the Federal Ministry of Education and Research (Principal investigator: Christian Drosten).

Kooperationen

  • Dr. Katja Hönzke, Med. Klinik m.S. Infektiologie u. Pneumologie, Charité - Universitätsmedizin Berlin

Wissenschaftliche Publikationen

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