Modulation der Furin-Spaltung des Spike-Proteins durch Glykosylierung

Das Spike-Protein (S-Protein) verwendet das Coronavirus, um an Strukturen der Wirtszelle zu binden und in diese einzudringen. SARS-CoV-2 enthält im S-Protein eine Insertion von vier Aminosäuren, die sogenannte Furin-Spaltstelle. Hier spaltet die wirtseigene Protease Furin das Protein, wodurch die Infektiosität der Viren und die Synzytienbildung der infizierten Zellen gesteigert wird. Zwar wird die Furin-Spaltung durch eine wirtseigene N-Acetylgalactosaminyl-Transferase (GALNT) behindert, indem sie sperrige Zuckerreste in der Nähe der Spaltstelle anbringt. Allerdings scheinen spezielle Mutationen, die beispielsweise in den Alpha- und Delta-Varianten vorkommen, dieses Handicap kompensieren zu können. Dies jedenfalls berichten Wissenschaftler der National Institutes of Health (NIH) in einer Arbeit, die jetzt online im Journal »Proceedings of the National Academy of Sciences« (PNAS) publiziert wurde.

Liping Zhang und Kollegen am National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR) zeigen, wie eine durch ein Wirtsenzym vermittelte O-Glykosylierung die virale Infektiosität beeinflussen kann. Normalerweise schützt sich der Wirtsorganismus zumindest partiell von einer Infektion mit Viren, deren Andockprotein zunächst durch Furin gespalten werden muss, durch die Modifikation der Umgebung der Furin-Erkennungsstelle mit einem sperrigen Zuckermolekül. Dieses wird durch ein Mitglied der Enzymfamilie GALNT eingefügt. Das Forscherteam wollte nun wissen, ob dies auch beim SARS-CoV-2-Spike-Protein der Fall ist, und wenn ja, ob sich dadurch die Funktion des Proteins ändert.

Die Wissenschaftler untersuchten die Auswirkungen der GALNT-Aktivität auf das Spike-Protein in Fruchtfliegen- und Säugetierzellen. Die Experimente zeigten, dass das Enzym GALNT1 das Spike-Protein des Wildtyp-Virus glykosyliert, wodurch tatsächlich auch die Furin-Spaltungsaktivität verringert wurde. Im Gegensatz dazu vermindern Mutationen des Spike-Proteins an der Position P681, wie sie in den besorgniserregenden Varianten (VOC) Alpha und Delta vorkommen, die GALNT1-Aktivität und steigern die Furin-Spaltung. Dies deutet darauf hin, dass die GALNT1-Aktivität die Furin-Spaltung im Wildtyp-Virus teilweise unterdrückt, dass jedoch die Alpha- und Delta-Varianten diesen Effekt zu kompensieren vermögen, so dass die Furin-Spaltung ungehindert ablaufen kann.

Zudem konnten die Wissenschaftler zeigen, dass auch die Synzytienbildung von infizierten Kulturzellen in ähnlicher Weise beeinflusst wurde. Dazu exprimierten die Forscher entweder den Wildtyp oder Viren mit einem mutierten Spike-Protein in Zellen, die in einer Schale gezüchtet wurden. Sie konnten zeigen, dass Zellen, die das mutierte Spike-Protein exprimierten, häufiger mit ihren Nachbarzellen fusionierten als Zellen mit der Wildtyp-Version. Zellen mit Wildtyp-Spike fusionierten auch weniger in Gegenwart von GALNT1, was darauf hindeutet, dass dessen Aktivität die Funktion des Spike-Proteins einschränken kann.

Zwar sind dies alles Daten aus Tierexperimenten und Zellkulturen. Allerdings fanden die Forscher auch GALNT1-Expression in Zellen der unteren und oberen Atemwege des Menschen. Das könnte darauf hindeuten, dass das Enzym die Infektion tatsächlich auch beim Menschen beeinflussen könnte. Die Wissenschaftler stellten die Theorie auf, dass individuelle Unterschiede in der GALNT1-Expression die Ausbreitung des Virus beeinflussen.

»Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Alpha- und Delta-Mutationen die dämpfende Wirkung der GALNT1-Aktivität überwinden, was die Fähigkeit des Virus, in Zellen einzudringen, verbessern könnte«, sagt Dr. Kelly G. Ten Hagen, die Seniorautorin der Studie, in einer Pressemitteilung des NIH. Die Ergebnisse könnten bei der Entwicklung von neuen Wirkstoffen gegen das Virus helfen, hoffen die Forscher.