Wie sieht das Spikeprotein von SARS-CoV-2 aus?

Das neuartige Coronavirus SARS-CoV-2 benötigt Spikeproteine (S) auf seiner Oberfläche, um an spezifische Rezeptoren auf der Oberfläche menschlicher Zellen zu binden und über diesen Weg die Zellen zu infizieren. Neben auf RNA basierenden Impfstoffen stehen diese Spikes, die stachelförmigen Strukturen, im Zentrum des Interesses bei der Entwicklung von COVID-19-Impfstoffen. Als Impf-Antigen sollen sie eine schützende Immunantwort provozieren. Wie genau diese Spikeproteine aussehen, ihre strukturelle Analyse, haben sich Wissenschaftler um Prof. Jacomine Krijnse Locker, Leiterin der Loewe-Forschungsgruppe „Elektronenmikroskopie von Pathogenen“, und Priv.-Doz. Michael Mühlebach des Paul-Ehrlich-Instituts (PEI) intensiv angeschaut – im Verbund mit weiteren Forschenden des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL, European Molecular Biology Laboratory), des Max-Planck-Instituts für Biophysik sowie dem Institut für Biophysik der Goethe-Universität Frankfurt/Main.

Beweglichkeit der vier Spikeproteine auf der Membranoberfläche von SARS-CoV-2. _{^{(Quelle: Sören von Bülow, Mateusz Sikora, Gerhard Hummer, MPI für Biophysik)}}

„Die Kombination modernster Technologien der Kryo-Elektronentomografie, Subtomogramm-Mittelung und Molekulardynamik-Simulationen ermöglichen die strukturelle Analyse von Molekülstrukturen in natürlicher Umgebung und mit nahezu atomarer Auflösung“, so das PEI. Der Mitteilung zufolge nutzten die Wissenschaftler SARS-CoV-2-Partikel, die aus dem Überstand infizierter Zellen gewonnen wurden. Mithilfe modernster Elektronenmikroskopie am EMBL wurden 266 Kryo-Tomogramme von etwa 1.000 verschiedenen Viren erstellt, die jeweils durchschnittlich 40 Spikes auf ihrer Oberfläche trugen. So konnten von insgesamt 40.000 Spikes wichtige Strukturinformationen gewonnen werden.

Was die Forscher fanden bezeichnen sie als „ein für die Impfstoffentwicklung erfreuliches Ergebnis“. So weise der „obere Kugel- bzw. V-förmige Teil des Spikes (...) unter natürlichen Bedingungen eine Struktur auf, die von rekombinanten Proteinen, die für die Impfstoffentwicklung genutzt werden, gut wiedergegeben wird.“ Befunde über den Stiel, mit dem der globuläre Teil des Spikeproteins auf der Virusoberfläche fixiert sei, seien jedoch neu, sagt Martin Beck, Gruppenleiter am EMBL und Direktor am Max-Planck-Institut für Biophysik. Und weiter: „Wir haben erwartet, dass der Stiel ziemlich starr ist. Aber unsere Modelle und auch die Bilder zeigen, dass er im Gegenteil äußerst flexibel ist“, fügt Gerhard Hummer vom Max-Planck-Institut für Biophysik und von der Universität Frankfurt hinzu. In den Aufnahmen stand er den Forschern zufolge selten gerade auf der Membran, sondern war in alle Richtungen geneigt. Das Team identifizierte vier verschiedene Domänen im Stiel, die sie als „Hüft-“, „Knie“-, „Knöchel“-Domäne, und schließlich als in die Membran eingebettete „Fuß“-Domäne bezeichneten. Sie konnten zeigen, dass diese Abschnitte Biegebewegungen ausführen können.