Dem SARS-Erreger
„auf die Finger geschaut“
Molekulare Evolution des SARS-Coronovirus während der SARS-Epidemie
in China
29.03.04 JS/HTR – Das gibt es – zum Glück - nur selten: Zuschauen, wie sich ein Erreger an den Menschen anpasst. Chinesische Forscher verglichen 61 Genom-Sequenzen des SARS-Coronavirus (SARS-CoV) aus der frühen, mittleren und späten Phase der SARS-Epidemie mit zwei Schleichkatzen-Virensequenzen. Für jede Phase konnten die Forscher charakteristische Genotypen ermitteln. Die frühesten waren den tierischen SARS-CoV-artigen Viren ähnlich. Das Spike-Protein, ein Oberflächenprotein, reagierte anfangs am stärksten auf Selektionsdruck und stabilisierte sich im Lauf der Epidemie (The Chinese SARS Molecular Epidemiology Consortium, Science 303: 1666-69, 2004).
Hintergrund
und Methoden
Das SARS-Coronavirus (SARS-CoV) gehört zu den RNA-Viren, die generell
hohe Mutationsraten aufweisen. SARS trat zuerst in der Provinz Guangdong in
China auf. Wahrscheinlich ging die Epidemie von Coronaviren der Schleichkatzenart
Paguma larvata (Larvenroller) aus, die auf den Menschen übertragen wurden.
Anhand der molekularen Charakteristika von Virus-Linien in China suchten die
Forscher nach epidemiologischen und genetischen Hinweisen für die Anpassung
des ursprünglich tierischen Virus an den Menschen. Sie teilten die SARS-Epidemie
in eine frühe, mittlere und späte Phase ein und analysierten jeweils
die Genome von Virus-Isolaten aus diesen drei Phasen.
Frühe Phase: Erstes Auftreten von SARS in der Guandong-Provinz bis zum
ersten Superüberträger (Superüberträger können aus
unbekannter Ursache besonders viele Menschen anstecken): 11 voneinander unabhängige
SARS-Fälle traten auf, 7 der Patienten hatten mit wilden Tieren Kontakt
gehabt.
Mittlere Phase: Nachfolgende Krankheitsfälle bis zur ersten Häufung
(Cluster) von SARS-Erkrankungen im Hotel M in Hong Kong: Der erste durch einen
Superüberträger verursachte größere SARS-Ausbruch begann
am 31.1.2003 in einem Krankenhaus in Guangzhou, der Hauptstadt der Provinz
Guangdong, mit mehr als 130 primären und sekundären Infektionen.
Doktor A arbeitete in diesem Krankenhaus, steckte sich an, reiste nach Hong
Kong und übernachtete am 21.2.2003 im Hotel M, wodurch die Krankheit
auf andere Hotelgäste übertragen wurde.
Späte Phase: Alle Fälle nach dem Hotel M-Cluster: Durch die erkrankten
Hotelgäste wurde die Krankheit nach Vietnam, Canada, Singapur und USA
übertragen, außerdem gab es zwei weitere Fälle von Superüberträgern
in Hong Kong mit jeweils mehr als 100 Übertragungen.
Die meisten SARS-CoV-Genomsequenzdaten stammten aus Isolaten in Verbindung
mit dem Hotel M-Cluster, also aus der späten Epidemiephase. Die erhaltenen
Daten wurden mit 32 humanen SARS-CoV-Sequenzen und 2 SARS-CoV-ähnlichen
Coronavirus-Sequenzen von Paguma larvataaus einer Genbank verglichen.
Ergebnisse
In der frühen Phase traten 2 Haupt-Genotypen des SARS-CoV auf: (1) Fünf
Isolate enthielten eine 29-Nukleotid-Sequenz, die in den meisten öffentlich
verfügbaren SARS-CoV-Sequenzen fehlte. Alle Isolate mit dieser Sequenz
stammten von Patienten, die in irgendeiner Form Kontakt mit den frühesten
unabhängigen Fällen in Guangzhou hatten, die Sequenz wurde in späteren
Isolaten nicht gefunden. Sie war außerdem identisch mit Coronaviren-Sequenzen
aus Tieren eines Tiermarktes in Shenzhen in Guandong. (2) Vier andere Isolate
wiesen eine bisher nicht beschriebene 82-Nukleotid-Deletion in derselben Genomregion
des Orf8 auf, 3 dieser Isolate stammten aus Proben sehr früher Fälle
in der Stadt Zhongshan der Guandong-Provinz. Eine Sequenz mit einer identischen
82-Nukleotid-Deletion wurde auch in Coronaviren von Farm-Schleichkatzen in
der benachbarten Hubei-Provinz gefunden. Von der mittleren Phase an bis zum
Ende der Epidemie dominierte eine SARS-CoV-Gensequenz, bei der im Gegensatz
zu derjenigen der frühen Phase das 29-Nukleotid-Segment fehlte.
Außer den Deletionen konnten 299 Einzel-Nukleotid-Varianten in den 63
Sequenzen beobachtet werden. 85 davon waren in mehr als einer der menschlichen
SARS-CoV-Sequenzen vorhanden, 52 verursachten wahrscheinlich Aminosäure-Austausche
im Spike-Protein, in Nicht-Struktur-Proteinen und im Orf8.
Fazit
und Diskussion
Durch Kombination der epidemiologisch bestimmten Transmissionswege mit den
Daten der Einzel-Nukleotid-Varianten konnten charakteristische Sequenzmotive
der frühen und der mittleren Epidemie-Phase zugeordnet werden. In der
späten Phase der Epidemie gab es auffällig wenig Varianten, es dominierten
Viren, die fast alle ein bestimmtes Sequenzmotiv trugen. Die beiden Haupt-Genotypen
der frühen Phase konnten auch bei nichtmenschlichen Säugetier-Wirten
gefunden werden. Diese Ergebnisse unterstützen die Ansicht, dass die
frühen menschlichen SARS-CoV-Infektionen von wilden Tieren her stammten.
In der Orf8-Region des SARS-CoV traten die Deletion einer 29-Nukleotid-Sequenz und noch weitere Deletionen auf. Einerseits könnte daher diese Genomregion für das Überleben des Virus unwichtig sein, andererseits lassen die Genomsequenzen in der Nähe von Orf8 vermuten, dass sich hier RNA-Haarnadelstrukturen bilden, die Deletionen begünstigen. Die mögliche Rolle der Haarnadelstrukturen bei der Regulation der RNA-Replikation oder mRNA-Transkription muss noch untersucht werden.
Viren-Superüberträger können die evolutionären Daten verschieben, jedoch konnten die Forscher zeigen, dass die von ihnen untersuchten Genotypen der frühen, mittleren und späten Epidemiephasen den unterschiedlichen Evolutions-Stadien einer viralen Linie entsprechen. Davon abgesehen sind die durch Superüberträger verbreiteten Virenstämme epidemiologisch von großer Bedeutung.
Die Rate der neutralen Mutationen (= Austausch von Basen, die nicht zur Änderung der Aminosäuresequenz führen) blieb während der ganzen Epidemie nahezu konstant und entsprach in etwa derjenigen anderer bekannter RNA-Viren. Hingegen war die Rate der Mutationen, die zu Aminsäureaustauschen führte, zu Beginn der Epidemie hoch und nahm dann im Lauf der Epidemie ab. Besonders betroffen hiervon war das Spike-Protein, das anscheinend dem stärksten Selektionsdruck ausgesetzt war und sich nach erfolgter Selektion stabilisierte. Die Mechanismen, aufgrund derer die Selektion der SARS-CoV-Genotypen während der Epidemie erfolgte, sind noch unbekannt.