Erklärt: Omicrons radikale Evolution

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Medizinische Mitarbeiter gehen zu einem Krankenwagen in einem Krankenhaus in Kommunarka, außerhalb von Moskau, Russland, Sonntag, 23. Januar 2022. (AP Photo/Alexander Zemlianichenko)

Während Krankenschwestern und Ärzte kämpfen Mit einer rekordverdächtigen Welle von Omicron-Fällen sind Evolutionsbiologen in einen eigenen Kampf verwickelt: herauszufinden, wie diese weltbeherrschende Variante entstanden ist.

Als die Omicron-Variante im November im südlichen Afrika abhob, waren Wissenschaftler von ihrer genetischen Ausstattung überrascht. Während frühere Varianten sich von der ursprünglichen Wuhan-Version des Coronavirus durch ein Dutzend oder zwei Mutationen unterschieden hatten, hatte omicron 53 – ein erschreckend großer Sprung in der Virusentwicklung.

In einer Studie, die letzte Woche online gestellt wurde, vertiefte ein internationales Team von Wissenschaftlern das Rätsel weiter. Sie fanden heraus, dass 13 dieser Mutationen selten, wenn überhaupt, in anderen Coronaviren gefunden wurden, was darauf hindeutet, dass sie für Omicron schädlich gewesen sein sollten. Stattdessen scheinen diese Mutationen im Zusammenspiel der Schlüssel zu einigen der wichtigsten Funktionen von Omicron zu sein.

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Jetzt versuchen es die Forscher um herauszufinden, wie Omicron sich den normalen Regeln der Evolution widersetzte und diese Mutationen nutzte, um zu einem so erfolgreichen Krankheitsüberträger zu werden.

„Hier gibt es ein Geheimnis, das jemand herausfinden muss“, sagte Darren Martin, ein Virus Experte an der Universität von Kapstadt, der an der neuen Studie gearbeitet hat.

Ein von den National Institutes of Health bereitgestelltes Bild zeigt eine kolorierte rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer mit einem Coronavirus infizierten Zelle. (National Institutes of Health über die New York Times)

Mutationen sind ein normaler Bestandteil der Existenz eines Coronavirus. Jedes Mal, wenn sich ein Virus in einer Zelle repliziert, besteht eine geringe Chance, dass die Zelle eine fehlerhafte Kopie ihrer Gene erstellt. Viele dieser Mutationen würden neue Viren defekt machen und unfähig machen, mit anderen Viren zu konkurrieren.

Aber eine Mutation kann einen Virus auch verbessern. Es könnte zum Beispiel dazu führen, dass das Virus fester an Zellen haftet oder sich schneller repliziert. Viren, die eine vorteilhafte Mutation erben, können andere übertreffen.

Wissenschaftler fanden im Laufe des Jahres 2020 heraus, dass verschiedene Abstammungslinien des Coronavirus auf der ganzen Welt nach und nach eine Handvoll Mutationen aufgegriffen haben. Der Evolutionsprozess verlief langsam und stetig bis zum Ende des Jahres.

Im Dezember 2020 wurden britische Forscher schockiert, als sie in England eine neue Variante entdeckten, die 23 Mutationen trug, die nicht im ursprünglichen Coronavirus gefunden wurden, das ein Jahr zuvor in Wuhan, China, isoliert worden war.

Diese Variante, die später Alpha genannt wurde, wurde bald verbreitet weltweit zu dominieren. Im Laufe des Jahres 2021 entstanden weitere sich schnell verbreitende Varianten. Während einige auf bestimmte Länder oder Kontinente beschränkt blieben, verdrängte die Delta-Variante mit 20 unterschiedlichen Mutationen Alpha und wurde im Laufe des Sommers dominant.

Und dann kam omicron mit mehr als doppelt so vielen Mutationen.

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Sobald omicron ans Licht kam, machten sich Martin und seine Kollegen daran, die radikale Evolution der Variante zu rekonstruieren, indem sie ihre 53 Mutationen mit denen anderer Coronaviren verglichen. Einige Mutationen wurden von Omicron, Delta und anderen Varianten geteilt, was darauf hindeutet, dass sie mehrmals aufgetreten waren und dass die natürliche Selektion sie immer wieder begünstigt hatte.

Aber die Wissenschaftler fanden ein anderes Muster, als sie sich die ansahen „Spike“-Protein, das die Oberfläche von Omicron festnagelt und es ihm ermöglicht, sich an Zellen festzusetzen.

Das Spike-Gen von Omicron hat 30 Mutationen. Die Forscher fanden heraus, dass 13 von ihnen bei anderen Coronaviren außerordentlich selten waren – sogar bei ihren entfernten viralen Cousins, die in Fledermäusen gefunden wurden. Einige der 13 wurden noch nie zuvor in den Millionen von Coronavirus-Genomen gesehen, die Wissenschaftler im Laufe der Pandemie sequenziert haben.

Wenn eine Mutation für das Virus vorteilhaft oder sogar neutral wäre, würden Wissenschaftler dies erwarten tauchen häufiger in den Proben auf. Aber wenn es selten ist oder ganz fehlt, ist das normalerweise ein Zeichen dafür, dass es für das Virus schädlich ist und es daran hindert, sich zu vermehren.

„Wenn Sie dieses Muster sehen, sagt es Ihnen etwas sehr Lautes und sehr Deutliches“, sagte Martin. „Alles, was an diesen Standorten eine Änderung aufrechterhält, wird wahrscheinlich defekt sein und wird nicht sehr lange überleben und aussterben.“

Und doch hat sich omicron über diese Logik hinweggesetzt. „Omicron starb nicht gerade aus“, sagte Martin. „Es hat einfach abgehoben, wie wir es noch nie zuvor gesehen haben.“

Was diese 13 Mutationen umso faszinierender macht, ist, dass sie nicht zufällig über Omikrons Stachel verteilt sind. Sie bilden drei Cluster, die jeweils einen kleinen Teil des Proteins verändern. Und jeder dieser drei Bereiche spielt eine große Rolle in dem, was omicron einzigartig macht.

Zwei der Cluster verändern die Spitze in der Nähe ihrer Spitze, wodurch es für menschliche Antikörper schwieriger wird, am Virus zu haften und es von den Zellen fernzuhalten. Infolgedessen ist omicron gut darin, sogar Menschen zu infizieren, die Antikörper von Impfungen oder einer früheren COVID-Infektion haben.

Die dritte Gruppe von Mutationen verändert die Spitze näher an ihrer Basis. Diese Region, die als Fusionsdomäne bekannt ist, tritt in Aktion, sobald sich die Spitze des Stachels an einer Zelle verankert hat, und ermöglicht es dem Virus, seine Gene in seinen neuen Wirt zu transportieren.

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Normalerweise verwenden Coronaviren die Fusionsdomäne, um mit einer Zellmembran zu verschmelzen. Ihre Gene können dann in die Tiefen der Zelle entschweben.

Aber die Fusionsdomäne von omicron macht normalerweise etwas anderes. Anstatt mit der Zellmembran zu verschmelzen, wird das gesamte Virus in einer Art zellulärem Senkloch verschluckt, das sich abschnürt, um eine Blase innerhalb der Zelle zu bilden. Sobald das Virus in der Blase eingefangen ist, kann es aufbrechen und seine Gene freisetzen.

Dieser neue Infektionsweg könnte erklären, warum Omicron weniger schwerwiegend ist als Delta. Die Zellen in den oberen Atemwegen können Omicron leicht in Bläschen verschlucken. Aber tief in der Lunge, wo COVID lebensbedrohliche Schäden anrichten kann, müssen Coronaviren mit Zellen verschmelzen, was omicron nicht gut macht.

Diese drei Regionen der Spitze scheinen für omicron wichtig gewesen zu sein Erfolg. Umso rätselhafter, dass diese 13 Mutationen vor omicron so verschwindend selten waren.

Martin und seine Kollegen vermuten, dass der Grund „Epistasis“ ist: ein evolutionäres Phänomen, das dazu führen kann, dass Mutationen für sich genommen schädlich, aber in Kombination vorteilhaft sind.

Menschen stehen Schlange vor einem begehbaren Covid-19-Testgelände, 5. Dezember 2021, in Cambridge, Mass. (AP Photo/Michael Dwyer, File)

Omicron hat möglicherweise eine Reihe von 13 schlechten Mutationen zu seinem Vorteil genutzt, indem es sich unter ungewöhnlichen Bedingungen entwickelt hat. Eine Möglichkeit ist, dass es nach längerer Zeit im Körper einer Person mit einem besonders schwachen Immunsystem, wie einem HIV-Patienten, entstanden ist. Menschen mit chronischen COVID-19-Infektionen können zu Evolutionslabors werden, die viele Generationen von Coronaviren beherbergen.

Die Evolution kann sich in einem solchen Wirt anders abspielen, als wenn sie alle paar Tage oder Wochen von einer gesunden Person zur anderen hüpfen würde.

“Jetzt steckt es in diesem einen Individuum fest, also tut es plötzlich Dinge, die es normalerweise nicht tun würde”, sagte Sergei Pond, Evolutionsbiologe an der Temple University und Autor der neuen Studie.

Da ein immungeschwächter Wirt nicht viele Antikörper produziert, werden viele Viren der Vermehrung überlassen. Und neue mutierte Viren, die den Antikörpern widerstehen, können sich vermehren.

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Eine Mutation, die es einem Virus ermöglicht, Antikörpern auszuweichen, ist nicht unbedingt vorteilhaft. Es könnte das Spike-Protein des Virus instabil machen, sodass es sich beispielsweise nicht schnell an eine Zelle heften kann. Aber in jemandem mit einem schwachen Immunsystem können Viren möglicherweise eine neue Mutation erhalten, die den Spike wieder stabilisiert.

Pond spekuliert, dass sich ähnliche Mutationen immer wieder in derselben Person aufgebaut haben könnten, bis omicron ein Spike-Protein mit genau der richtigen Kombination von Mutationen entwickelt hat, damit es sich unter gesunden Menschen hervorragend ausbreiten kann.

“ Es erscheint auf jeden Fall plausibel“, sagte Sarah Otto, Evolutionsbiologin an der University of British Columbia, die nicht an der Studie beteiligt war. Aber sie sagte, Wissenschaftler müssten noch Experimente durchführen, um alternative Erklärungen auszuschließen.

Es ist beispielsweise möglich, dass die 13 Spike-Mutationen omicron überhaupt keinen Nutzen bringen. Stattdessen könnten einige der anderen Spike-Mutationen omicron erfolgreich machen, und die 13 sind gerade dabei.

„Ich wäre vorsichtig bei der Interpretation der Daten, um darauf hinzuweisen, dass all diese zuvor schädlichen Mutationen dies getan haben adaptiv begünstigt“, sagte Otto.

Geschrieben von Carl Zimmer. Dieser Artikel erschien ursprünglich in der New York Times

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