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Wie Virendetektive die Ursprünge eines Ausbruchs verfolgen – und warum es so knifflig ist
Wie Virendetektive die Ursprünge eines Ausbruchs verfolgen – und warum es so knifflig ist
Anonim

Jedes Mal, wenn es zu einem größeren Krankheitsausbruch kommt, lautet eine der ersten Fragen, die sich Wissenschaftler und die Öffentlichkeit stellen: „Woher kommt das?“

Um zukünftige Pandemien wie COVID-19 vorherzusagen und zu verhindern, müssen Forscher den Ursprung der Viren finden, die sie verursachen. Dies ist keine triviale Aufgabe. Der Ursprung von HIV war erst 20 Jahre nach seiner weltweiten Verbreitung klar. Wissenschaftler kennen den Ursprung von Ebola immer noch nicht, obwohl es seit den 1970er Jahren periodische Epidemien verursacht hat.

Als Experte für virale Ökologie werde ich oft gefragt, wie Wissenschaftler den Ursprung eines Virus verfolgen. Bei meiner Arbeit habe ich viele neue Viren und einige bekannte Krankheitserreger gefunden, die Wildpflanzen infizieren, ohne eine Krankheit auszulösen. Pflanze, Tier oder Mensch, die Methoden sind weitgehend gleich. Den Ursprüngen eines Virus auf die Spur zu kommen, erfordert eine Kombination aus umfangreicher Feldforschung, gründlichen Labortests und viel Glück.

Viren springen von Wildtierwirten auf den Menschen über

Viele Viren und andere Krankheitserreger, die Menschen infizieren, stammen von Tieren. Diese Krankheiten sind zoonotisch, d. h. sie werden durch tierische Viren verursacht, die auf den Menschen übersprangen und sich an die menschliche Bevölkerung angepasst haben.

Es mag verlockend sein, die Suche nach dem Virusursprung zu beginnen, indem man kranke Tiere am Ort der ersten bekannten menschlichen Infektion testet, aber wilde Wirte zeigen oft keine Symptome. Viren und ihre Wirte passen sich im Laufe der Zeit aneinander an, sodass Viren oft keine offensichtlichen Krankheitssymptome verursachen, bis sie auf eine neue Wirtsart gesprungen sind. Forscher können nicht nur nach kranken Tieren suchen.

Ein weiteres Problem ist, dass Menschen und ihre Futtertiere nicht stationär sind. Der Ort, an dem Forscher den ersten Infizierten finden, liegt nicht unbedingt in der Nähe des Ortes, an dem das Virus zum ersten Mal aufgetreten ist.

Im Fall von COVID-19 waren Fledermäuse eine offensichtliche erste Anlaufstelle. Sie sind bekannte Wirte für viele Coronaviren und die wahrscheinliche Quelle anderer Zoonosekrankheiten wie SARS und MERS.

Für SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, ist BatCoV RaTG13 der nächste Verwandte, den Wissenschaftler bisher gefunden haben. Dieses Virus ist Teil einer Sammlung von Fledermaus-Coronaviren, die 2011 und 2012 von Virologen des Wuhan Virology Institute entdeckt wurden. Die Virologen suchten nach der SARS-CoV-1-Pandemie im Jahr 2003 bei Fledermäusen nach SARS-bezogenen Coronaviren. Sie sammelten Kotproben und Rachenabstriche von Fledermäusen an einem Standort in der Provinz Yunnan, etwa 1.500 Kilometer vom Labor des Instituts entfernt in Wuhan, wo sie Proben zur weiteren Untersuchung mitbrachten.

Um zu testen, ob sich die Fledermaus-Coronaviren auf Menschen ausbreiten könnten, infizierten Forscher Affennierenzellen und menschliche Tumorzellen mit den Yunnan-Proben. Sie fanden heraus, dass sich eine Reihe der Viren aus dieser Sammlung in den menschlichen Zellen vermehren könnten, was bedeutet, dass sie möglicherweise ohne Zwischenwirt direkt von Fledermäusen auf den Menschen übertragen werden könnten. Fledermäuse und Menschen kommen jedoch nicht sehr oft in direkten Kontakt, sodass ein Zwischenwirt durchaus wahrscheinlich ist.

Suche nach den nächsten Verwandten

Der nächste Schritt besteht darin, zu bestimmen, wie eng ein vermutetes Wildtiervirus mit dem, das den Menschen infiziert, verwandt ist. Wissenschaftler tun dies, indem sie die genetische Sequenz des Virus herausfinden, wozu die Bestimmung der Reihenfolge der Grundbausteine ​​oder Nukleotide gehört, aus denen das Genom besteht. Je mehr Nukleotide zwei genetische Sequenzen teilen, desto enger sind sie verwandt.

Die genetische Sequenzierung des Fledermaus-Coronavirus RaTG13 zeigte, dass es zu über 96% mit SARS-CoV-2 identisch ist. Diese Ähnlichkeit bedeutet, dass RaTG13 ein ziemlich enger Verwandter von SARS-CoV-2 ist, was bestätigt, dass SARS-CoV-2 wahrscheinlich von Fledermäusen stammt, aber immer noch zu weit entfernt ist, um ein direkter Vorfahre zu sein. Es gab wahrscheinlich einen anderen Wirt, der das Virus von Fledermäusen gefangen und an den Menschen weitergegeben hat.

Da einige der frühesten Fälle von COVID-19 bei Menschen gefunden wurden, die mit dem Wildtiermarkt in Wuhan in Verbindung stehen, gab es Spekulationen, dass ein Wildtier von diesem Markt der Zwischenwirt zwischen Fledermäusen und Menschen war. Forscher fanden das Coronavirus jedoch nie bei Tieren vom Markt.

Als ein verwandtes Coronavirus in Schuppentieren identifiziert wurde, die bei einer Anti-Schmuggel-Operation in Südchina beschlagnahmt wurden, kamen viele zu dem Schluss, dass SARS-CoV-2 von Fledermäusen über Schuppentiere auf den Menschen übergegangen war. Es wurde jedoch festgestellt, dass das Pangolin-Virus nur zu 91% mit SARS-CoV-2 identisch ist, was es unwahrscheinlich macht, dass es ein direkter Vorfahre des menschlichen Virus ist.

Um den Ursprung von SARS-CoV-2 zu lokalisieren, müssen viel mehr Wildproben gesammelt werden. Dies ist eine schwierige Aufgabe – die Probenahme von Fledermäusen ist zeitaufwändig und erfordert strenge Vorkehrungen gegen eine versehentliche Infektion. Da SARS-bezogene Coronaviren in Fledermäusen in ganz Asien, einschließlich Thailand und Japan, gefunden werden, ist es ein sehr großer Heuhaufen, nach einer sehr kleinen Nadel zu suchen.

Erstellen eines Stammbaums für SARS-CoV-2

Um das Rätsel um virale Herkunft und Bewegung zu lösen, müssen Wissenschaftler nicht nur die fehlenden Teile finden, sondern auch herausfinden, wie sie alle zusammenpassen. Dies erfordert das Sammeln von Virusproben von menschlichen Infektionen und den Vergleich dieser genetischen Sequenzen sowohl untereinander als auch mit anderen tierischen Viren.

Um festzustellen, wie diese Virusproben miteinander verwandt sind, verwenden Forscher Computerwerkzeuge, um den Stammbaum des Virus oder die Phylogenie zu erstellen. Die Forscher vergleichen die genetischen Sequenzen jeder Virusprobe und konstruieren Beziehungen, indem sie genetische Ähnlichkeiten und Unterschiede abgleichen und einordnen.

Der direkte Vorfahre des Virus, der die größte genetische Ähnlichkeit aufweist, könnte als Elternteil angesehen werden. Varianten, die dieselbe Elternsequenz teilen, aber mit genügend Änderungen, um sie voneinander zu unterscheiden, sind wie Geschwister. Im Fall von SARS-CoV-2 sind die südafrikanische Variante B.1.351 und die britische Variante B.1.1.7 Geschwister.

Die Erstellung eines Stammbaums wird dadurch erschwert, dass unterschiedliche Analyseparameter zu unterschiedlichen Ergebnissen führen können: Der gleiche Satz genetischer Sequenzen kann zwei sehr unterschiedliche Stammbäume erzeugen.

Bei SARS-CoV-2 erweist sich die phylogenetische Analyse als besonders schwierig. Obwohl mittlerweile Zehntausende von SARS-CoV-2-Sequenzen verfügbar sind, unterscheiden sie sich nicht genug voneinander, um ein klares Bild davon zu machen, wie sie miteinander verwandt sind.

Die aktuelle Debatte: Wilder Wirt oder Labor-Spillover?

Könnte SARS-CoV-2 aus einem Forschungslabor freigesetzt worden sein? Obwohl aktuelle Beweise nahelegen, dass dies nicht der Fall ist, haben kürzlich 18 prominente Virologen vorgeschlagen, diese Frage weiter zu untersuchen.

Obwohl spekuliert wurde, dass SARS-CoV-2 in einem Labor entwickelt wird, scheint diese Möglichkeit sehr unwahrscheinlich. Beim Vergleich der genetischen Sequenz von wildem RaTG13 mit SARS-CoV-2 verteilen sich die Unterschiede zufällig über das Genom. In einem gentechnisch veränderten Virus würde es klare Blöcke von Veränderungen geben, die eingeführte Sequenzen aus einer anderen Virusquelle darstellen.

Es gibt eine einzigartige Sequenz im SARS-CoV-2-Genom, die für einen Teil des Spike-Proteins kodiert, das bei der Infektion von Menschen eine wichtige Rolle zu spielen scheint. Interessanterweise findet sich im MERS-Coronavirus eine ähnliche Sequenz, die eine ähnliche Krankheit wie COVID-19 verursacht.

Obwohl nicht klar ist, wie SARS-CoV-2 diese Sequenzen erworben hat, deutet die virale Evolution darauf hin, dass sie aus natürlichen Prozessen entstanden sind. Viren akkumulieren Veränderungen entweder durch genetischen Austausch mit anderen Viren und ihren Wirten oder durch zufällige Fehler während der Replikation. Viren, die eine genetische Veränderung erhalten, die ihnen einen Fortpflanzungsvorteil verschafft, würden diese normalerweise durch Replikation weitergeben. Dass MERS und SARS-CoV-2 in diesem Teil des Genoms eine ähnliche Sequenz aufweisen, deutet darauf hin, dass es sich in beiden auf natürliche Weise entwickelt und verbreitet hat, weil es ihnen hilft, menschliche Zellen zu infizieren.

Wohin von hier aus?

Den Ursprung von SARS-CoV-2 herauszufinden, könnte uns Hinweise geben, um zukünftige Pandemien zu verstehen und vorherzusagen, aber wir werden möglicherweise nie genau wissen, woher es kommt. Unabhängig davon, wie das SARS-CoV-2 in den Menschen eingedrungen ist, ist es jetzt hier und wird wahrscheinlich bleiben. In Zukunft müssen die Forscher die Ausbreitung weiter überwachen und so viele Menschen wie möglich impfen lassen.

Marilyn J. Roossinck, Professorin für Pflanzenpathologie und Umweltmikrobiologie, Penn State

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