Aktualisiert 14. Februar 2022

In einer kürzlich erschienen Peer-Review geprüften Studie zeigen Wissenschaftler der Universität Stockholm erstmals in Laborversuchen, dass das Spike-Protein von SARS-CoV-2 in den Zellkern eindringen kann und die Fähigkeit der DNA zur Selbst-Reparatur schädigt. Darin sehen die Forscher eine mögliche Erklärung für schwere COVID-19-Infektionen und heben die potenziellen Nebenwirkungen von Impfstoffen auf Spike-Basis hervor.

Die Spike-Proteine von SARS-CoV-2 spielen eine wichtige Rolle beim Infektionsgeschehen wie auch bei den aktuell eingesetzten Vektor- oder mRNA-Impfungen. Diese Impfungen enthalten Codes, die darauf ausgelegt sind, das Spike-Protein des Virus nachzubilden.

SARS–CoV–2 Spike Impairs DNA Damage Repair and Inhibits V(D)J Recombination In Vitro

by Hui Jiang and Ya-Fang Mei

In Übereinstimmung mit unseren Ergebnissen zeigen klinische Beobachtungen auch, dass das Risiko einer schweren Erkrankung oder eines Todes bei COVID-19 mit dem Alter zunimmt, insbesondere bei älteren Erwachsenen mit dem höchsten Risiko. Dies könnte daran liegen, dass SARS-CoV-2 Spike-Proteine ​​das DNA-Reparatursystem älterer Menschen schwächen und folglich die V(D)J-Rekombination und die adaptive Immunität behindern können.

Im Gegensatz dazu liefern unsere Daten wertvolle Details zur Beteiligung von Spike-Protein-Untereinheiten an der Reparatur von DNA-Schäden, was darauf hindeutet, dass Spike-basierte Impfstoffe voller Länge die Rekombination von V(D)J in B-Zellen hemmen können, was auch mit einer neueren Studie, dass ein Spike-basierter Impfstoff voller Länge niedrigere Antikörpertiter induzierte als der RBD-basierte Impfstoff. Dies deutet darauf hin, dass die Verwendung von antigenen Epitopen des Spikes als SARS-CoV-2-Impfstoff sicherer und wirksamer sein könnte als der Spike in voller Länge. Zusammenfassend haben wir einen der potenziell wichtigen Mechanismen der SARS-CoV-2-Suppression der adaptiven Immunmaschinerie des Wirts identifiziert. Darüber hinaus implizieren unsere Ergebnisse auch eine mögliche Nebenwirkung des Impfstoffs auf Spike-Basis in voller Länge. Diese Arbeit wird das Verständnis der COVID-19-Pathogenese verbessern und neue Strategien für die Entwicklung effizienterer und sichererer Impfstoffe liefern.

Spike-Protein beeinträchtigt die V(D)J-Rekombination in vitro

Die Reparatur von DNA-Schäden, insbesondere der NHEJ-Reparatur, ist für die V(D)J-Rekombination essentiell, die den Kern der B- und T-Zell-Immunität bildet.

Bis heute wurden viele zugelassene SARS-CoV-2-Impfstoffe, wie mRNA-Impfstoffe und Adenovirus-COVID-19-Impfstoffe, basierend auf dem Spike-Protein voller Länge entwickelt.

Obwohl fraglich ist, ob SARS-CoV-2 direkt Lymphozyten-Vorläufer infiziert, haben einige Berichte gezeigt, dass infizierte Zellen Exosomen sezernieren, die SARS-CoV-2 RNA oder Protein an Zielzellen abgeben können. Wir testeten weiter, ob das Spike-Protein die NHEJ-vermittelte V(D)J-Rekombination reduzierte. Hierfür haben wir gemäß einer früheren Studie ein in vitro V(D)J-Rekombinationsreportersystem entworfen. Im Vergleich zum leeren Vektor hemmte die Überexpression des Spike-Proteins die RAG-vermittelte V(D)J-Rekombination in diesem in vitro-Reportersystem.

Zusammen zeigen diese Daten, dass das Spike-Protein die DNA-Reparatur im Zellkern direkt beeinflusst.

3.3. Spike-Proteine ​​behindern die Rekrutierung von Checkpoint-Proteinen zur Reparatur von DNA-Schäden

Um die Existenz von Spike-Protein im Zellkern zu bestätigen, führten wir eine Analyse der subzellulären Fraktion durch und fanden heraus, dass Spike-Proteine ​​nicht nur in der Zellmembranfraktion angereichert sind, sondern auch in der Kernfraktion reichlich vorhanden sind, mit nachweisbarer Expression sogar in der chromatingebundenen Fraktion. Wir beobachteten auch, dass der Spike drei verschiedene Formen hat, die obere Bande ist eine hochglykosylierte Spike, die mittlere ist eine Spike voller Länge und die untere ist eine gespaltene Spike-Untereinheit. In Übereinstimmung mit dem Comet-Assay fanden wir auch die Hochregulierung des DNA-Schadensmarkers γ-H2A.X in Spike-Protein-überexprimierten Zellen unter DNA-Schädigungsbedingungen .

Eine aktuelle Studie legte nahe, dass Spike-Proteine ​​ER-Stress und ER-assoziierten Proteinabbau induzieren. Um die Möglichkeit auszuschließen, dass das Spike-Protein die DNA-Reparatur hemmt, indem es den Abbau des DNA-Reparaturproteins fördert, haben wir die Expression einiger essentieller DNA-Reparaturproteine ​​in den NHEJ- und HR-Reparaturwegen überprüft und festgestellt, dass diese DNA-Reparaturproteine ​​nach der Überexpression des Spike-Proteins stabil waren. Um zu bestimmen, wie das Spike-Protein sowohl die NHEJ- als auch die HR-Reparaturwege hemmt, analysierten wir die Rekrutierung von BRCA1 und 53BP1, die die wichtigsten Checkpoint-Proteine ​​für die HR- bzw. NHEJ-Reparatur sind. Wir fanden heraus, dass das Spike-Protein die Bildung von BRCA1- und 53BP1-Foci deutlich hemmte. Zusammen zeigen diese Daten, dass das SARS-CoV-2 Spike-Protein in voller Länge die Reparatur von DNA-Schäden hemmt, indem es die Rekrutierung von DNA-Reparaturproteinen behindert.

Bruchstücke von Virus-Erbgut in der DNA infizierter Menschen

Die Wissenschaftler um Rudolf Jaenisch konnten unter speziell auf die Studienthese zugeschnittenen Umständen im Labor Bruchstücke von Virus-Erbgut in der DNA infizierter Menschen nachweisen. Zudem fanden die Forscher Hinweise darauf, dass dies auch außerhalb wissenschaftlicher Forschungen möglich sei – etwa, wenn eine Person an HIV erkrankt wäre und sich dann mit SARS-CoV-2 ansteckt. Das HI-Virus enthalte ein Enzym, das RNA in DNA umschreiben könne.  

„Sollte in der gegenwärtigen öffentlichen Diskussion behauptet werden, dass virale RNA wie aus dem SARS-CoV-2-Virus grundsätzlich nicht in die menschliche genomische DNA überschrieben werden kann, so ist dies tatsächlich falsch. Dies zeigt die vorliegende Studie“, erklärt Oliver Weichenrieder vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen.

SARS-CoV-2 RNA reverse-transcribed and integrated into the human genome

Längerer SARS-CoV-2-RNA-Ausscheidung und Wiederholung von PCR-positiven Tests wurden häufig bei Patienten nach Genesung berichtet, jedoch sind diese Patienten am häufigsten nicht infektiös. Hier haben wir die Möglichkeit untersucht, dass SARS-CoV-2-RNAs revers transkribiert werden können und in das menschliche Genom integriert und die Transkription der integrierten Sequenzen könnte.

Zur Unterstützung dieser Hypothese fanden wir chimäre Transkripte bestehend aus mit zellulären Sequenzen fusionierten Viren in veröffentlichten Datensätzen von SARS-CoV-2-Infizierten kultivierte Zellen und Primärzellen von Patienten, im Einklang mit der Transkription viraler Sequenzen in das Genom integriert.

Um die Möglichkeit einer viralen Retro-Integration experimentell zu untermauern, beschreiben wir Beweise dafür, dass SARS-CoV-2-RNAs beim Menschen revers transkribiert werden können.

Zellen durch reverse Transkriptase (RT) von LINE-1-Elementen oder durch HIV-1-RT, und dass diese DNA Sequenzen können in das Zellgenom integriert und anschließend transkribiert werden. Menschlich endogene LINE-1-Expression wurde durch SARS-CoV-2-Infektion oder durch Zytokin induziert. Exposition in kultivierten Zellen, was bei Patienten auf einen molekularen Mechanismus für die Retrointegration von SARS-CoV-2 hindeutet. Dieses neuartige Merkmal der SARS-CoV-2-Infektion könnte erklären, warum Patienten weiterhin zur Produktion viraler RNA nach der Genesung führen und schlägt einen neuen Aspekt der RNA-Virusreplikation vor.

Diskussion
In dieser Studie haben wir Beweise dafür erbracht, dass SARS-CoV-2-RNAs revers transkribiert werden können und in das menschliche Genom integriert durch mehrere Quellen der reversen Transkriptase wie z aktiviertes menschliches LINE-1 oder co-infiziertes Retrovirus (HIV). Wir haben festgestellt, dass LINE-1 Ausdruck sein kann, induziert nach SARS-CoV-2-Infektion oder Zytokin-Exposition, was auf einen molekularen Mechanismus hindeutet der verantwortlich ist für die SARS-CoV-2-Retrointegration bei Patienten. Darüber hinaus deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die integrierte SARS-CoV-2-Sequenzen transkribiert werden können, wie RNA-Seq und smRNA-FISH Daten zeigen, die eine mögliche Erklärung für das Vorhandensein viraler Sequenzen zu späteren Zeitpunkten liefern - anfängliche Virusexposition und in Abwesenheit eines nachweisbaren infektiösen Virus.

Die nachträglich eingefügt SRAS-CoV-2-Sequenzen sind höchstwahrscheinlich subgenomische Fragmente, ebenso wie die Integrationsverbindungen hauptsächlich angereichert an der N-Sequenz (Abb. 1d-e), ausgenommen die Produktion von infektiösem Virus. Unsere Daten können auch erklären, dass Patienten nach Genesung von Krankheitssymptomen wieder erkranken können - positiv für virale Sequenzen, wie durch PCR nachgewiesen.