In einer Zusammenarbeit mehrerer Gruppen, an der die National Emerging Infectious Disease Laboratories (NEIDL), das Center for Regenerative Medicine (CReM) und das Center for Network Systems Biology (CNSB) beteiligt sind, haben Wissenschaftler die erste Karte der molekularen Reaktionen menschlicher Lungenzellen auf eine Infektion mit SARS-CoV-2 vorgelegt. Durch die Kombination biotechnologisch hergestellter menschlicher Alveolarzellen mit hochentwickelter, hochpräziser Massenspektrometrie-Technologie haben Forscher der Boston University School of Medicine (BUSM) Wirtsproteine und Signalwege in Lungenzellen identifiziert, deren Niveau sich bei einer Infektion mit SARS-CoV-2 verändert, was Einblicke in die Krankheitspathologie und neue therapeutische Ziele zur Blockierung von COVID-19 ermöglicht.
Sie fanden heraus, dass eine entscheidende Art der Proteinmodifikation, die so genannte Phosphorylierung, in diesen infizierten Lungenzellen aberrant wird. Die Phosphorylierung von Proteinen spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Proteinfunktion innerhalb der Zellen eines Organismus, und sowohl die Proteinhäufigkeit als auch die Proteinphosphorylierung sind im Falle normal gesunder Zellen typischerweise hochgradig kontrollierte Prozesse. Sie entdeckten jedoch, dass SARS-CoV-2 die Lungenzellen in Unordnung bringt, was zu abnormalen Veränderungen der Proteinmengen und der Häufigkeit der Proteinphosphorylierung innerhalb dieser Zellen führt. Diese abnormalen Veränderungen helfen dem Virus, sich zu vermehren und schließlich die Zellen zu zerstören. Die Zerstörung der infizierten Zellen kann zu einer weit verbreiteten Lungenschädigung führen.
Den Forschern zufolge beginnt SARS-CoV-2, sobald es in die Lungenzellen eindringt, rasch mit der Ausnutzung der Kernressourcen der Zelle, die ansonsten für das normale Wachstum und die normale Funktion der Zelle erforderlich sind. “Das Virus nutzt diese Ressourcen, um sich zu vermehren und gleichzeitig einem Angriff des körpereigenen Immunsystems zu entgehen. Auf diese Weise bilden sich neue Viren, die anschließend aus der erschöpften und brutal geschädigten Lungenzelle austreten und sie der Selbstzerstörung überlassen. Diese neuen Viren infizieren dann andere Zellen, wo sich der gleiche Zyklus wiederholt”, erklärt der korrespondierende Autor Dr. Andrew Emili, Professor für Biochemie an der BUSM.
Die Forscher untersuchten Lungenalveolarzellen von einer bis 24 Stunden nach der Infektion mit SARS-CoV-2, um zu verstehen, welche Veränderungen in den Lungenzellen unmittelbar (nach einer, drei und sechs Stunden nach der Infektion mit SARS-CoV-2) und welche Veränderungen später (nach 24 Stunden nach der Infektion) auftreten. Diese Veränderungen wurden dann mit nicht infizierten Zellen verglichen. Alle Proteine aus infizierten und nicht infizierten Alveolarzellen, die den verschiedenen Zeitpunkten entsprachen, wurden extrahiert und mit eindeutigen Strichcode-Tags, den so genannten “Tandem-Massen-Tags”, beschriftet. Diese Tags, die sich nur mit einem Massenspektrometer genau nachweisen lassen, erlauben eine robuste Quantifizierung der Protein- und Phosphorylierungshäufigkeit in den Zellen.
“Unsere Ergebnisse zeigten, dass SARS-CoV-2-infizierte Lungenzellen im Vergleich zu normal infizierten Lungenzellen dramatische Veränderungen in der Fülle von Tausenden von Proteinen und Phosphorylierungsereignissen zeigten”, sagte Darrell Kotton, MD, Professor für Pathologie & Labormedizin am BUSM und Direktor des CReM.
“Moreover, our data also showed that the SARS-CoV-2 virus induces a significant number of these changes as early as one hour post infection and lays the foundation for a complete hijack of the host lung cells,” adds Elke Mühlberger, Ph.D., associate professor of microbiology and principal investigator at the NEIDL.
“Es gibt wichtige biologische Merkmale, die spezifisch für Lungenzellen sind und die von anderen Zelltypen, die üblicherweise zur Untersuchung von Virusinfektionen verwendet werden, nicht reproduziert werden”, sagte Dr. Andrew Wilson, außerordentlicher Professor für Medizin am BUSM und CReM-Forscher. “Die Untersuchung des Virus im Kontext des Zelltyps, der bei Patienten am meisten geschädigt ist, wird wahrscheinlich zu Erkenntnissen führen, die wir in anderen Modellsystemen nicht sehen könnten”.
Die Forscher analysierten ihre Daten auch, um potenzielle Möglichkeiten für die Behandlung von COVID-19 zu ermitteln, und stellten fest, dass mindestens 18 bereits vorhandene klinisch zugelassene Medikamente (die ursprünglich für andere Krankheiten entwickelt wurden) potenziell wieder für die COVID-19-Therapie eingesetzt werden können. Diese Medikamente haben sich als aussergewöhnlich vielversprechend erwiesen, um die Proliferation von SARS-CoV-2 in Lungenzellen zu blockieren.
Übersetzt mit Deepl
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