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Sars-CoV-2: Beweglich wie ein Ballon an der Schnur

Spike-Proteine
Modell von vier Spike-Proteinen von Sars-CoV-2. Grün gekennzeichnet sind Zuckeranlagerungen. (Bild: MPI für Biophysik)

Die stachelig aus seiner Hülle herausragende Proteine sind das „Markenzeichen“ des Coronavirus Sars-CoV-2 – und ihre Bindungsstelle für den Befall unserer Zellen. Jetzt enthüllt eine Studie, dass diese sogenannten Spike-Proteine viel beweglicher sind als bislang gedacht. Ihre Stiele besitzen drei gelenkartige Scharniere, die dem Proteinkopf große Bewegungsfreiheit geben – das könnte dem Virus bei der Anlagerung an unsere Zelloberflächen helfen. Die neuen Aufnahmen zeigen zudem, dass das Spike-Protein von Sars-CoV-2 mehr Zuckeranlagerungen aufweist als gedacht. Das könnte für die Impfstoffentwicklung wichtig sein.

Die Coronaviren tragen ihr hervorstechendstes Merkmal schon im Namen: Die Bezeichnung Corona – Krone – geht auf die aus ihrer Oberfläche hervortretenden Proteine zurück. Diese Spike-Proteine spielen für die Vermehrung von Sars-CoV-2 und seine Fähigkeit, einen Wirt zu infizieren, eine entscheidende Rolle. Zum einen ermöglicht die Struktur des Spike-Proteins diesem Erreger den Befall des Menschen. Denn erst als eine bestimmte Untereinheit sich so verändert hatte, dass sie an den ACE2-Rezeptor der menschlichen Zellen passte und andocken konnte, erlangte das Virus die Fähigkeit, in unsere Zellen einzudringen. Diese Bindungsstelle des Spike-Proteins ist aber auch die Ansatzstelle unserer Immunabwehr: An ihr erkennt das Immunsystem den Erreger und produziert Antikörper, die passgenau an dieser Stelle binden und so ihre Funktion blockieren. Auch die zurzeit entwickelten Impfstoffe nutzen die Struktur des Spike-Proteins, um eine schützende Immunreaktion auszulösen.

Drei Gelenke am Proteinstiel

Die Struktur dieses Proteins von Sars-CoV-2 genau zu kennen, ist daher besonders wichtig. Tatsächlich gibt es schon nahezu atomgenaue Strukturmodelle des isolierten Proteins. Weniger klar war aber, wie das Spike-Protein konfiguriert ist, wenn es auf der Oberfläche des noch intakten Virus sitzt. Deshalb haben nun Forscher um Beata Turonova vom European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg die bisher genaueste Kartierung des Spike-Proteins in situ – also am Virus – durchgeführt. Dafür erstellten sie mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie hochaufgelöste Momentaufnahmen von 1000 gefriergetrockneten Viren mitsamt ihrer Proteine. Diese Kryotomogramme zeigten bereits einzelne Protein-Untereinheiten der im Schnitt rund 40 Spike-Proteine pro Virus. Eine computergestützte Verarbeitung der Tomogramme erlaubte es dann, Kopf und Stiel der Spike-Proteine fast atomgenau zu kartieren.

Wie die Modelle und Bilder enthüllten, sind die Stiele des viralen Spike-Proteins viel beweglicher als zuvor angenommen. „Es wurde erwartet, dass der Stiel ziemlich starr sein würde“, sagt Co-Autor Gerhard Hummer vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main. „Aber in unseren Modellen und Bildern entdeckten wir, dass die Stängel extrem flexibel sind.“ Dadurch kann sich der Proteinkopf mit der Bindestelle fast im rechten Winkel neigen. „Wie ein Ballon an einer Schnur scheinen sich die Stängel auf der Oberfläche des Virus zu bewegen und können so nach dem Rezeptor für das Andocken an die Zielzelle suchen“, erklärt Co-Autorin Jacomine Krijnse Locker vom Paul-Ehrlich-Institut. Ursache für diese Beweglichkeit sind drei Gelenke am Stiel des Spike-Proteins, wie die Forscher entdeckten. Diese Scharniere – Hüfte, Knie und Knöchel – sind zwischen 18 und 28 Grad kippbar und geben dem Kopf so seine große Bewegungsfreiheit.

Schützende Zuckeranlagerungen

Wie die Forscher ermittelten, ist das Spike-Protein von Sars-CoV-2 außerdem von vielen zuckerähnlichen Anlagerungen bedeckt. Diese sogenannten Glykane verdecken Teile der erkennbaren Proteinstrukturen und erschweren es dem Immunsystem, das Virus zu erkennen. Gleichzeitig behindern sie Antikörper und Abwehrzellen dabei, an entscheidenden Stellen des Oberflächenproteins anzudocken. Das Wissen darum, wo die Glykane sitzen und wie zahlreich sie sind, ist daher wichtig, um die Wirksamkeit von Antikörpertherapien oder Impfstoffen einschätzen zu können. Die gute Nachricht jedoch: Die Bindungsstelle des Spike-Proteins sieht auch in situ ziemlich genau so aus wie aus früheren Untersuchungen an isolierten Proteinen bekannt.

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„Der obere kugelförmige Teil des Spike-Proteins hat eine Struktur, die von rekombinanten Proteinen, die für die Impfstoffentwicklung verwendet werden, gut reproduziert wird“, erklärt Co-Autor Martin Beck vom EMBL. Das bedeutet, dass die Impfstoffkandidaten zumindest nicht ins Leere laufen, sondern dem Immunsystem die richtigen Strukturen präsentieren.

Quelle: Beata Turonova (European Molecular Biology Laboratory (EMBL), Heidelberg) et al., Science, doi: 10.1126/science.abd5223
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