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COVID-19: Zellen im Shutdown

Zum Bericht des BR Fernsehen vom 01.08.2020

Strukturbiologen der LMU zeigen im Detail, wie das neuartige Coronavirus die Proteinproduktion an den Ribosomen lahmlegt und wichtige Teile der angeborenen Immunabwehr ausschaltet.

ribosome_beckmann_sarscov2Der Name und das Kürzel des Viruseiweißes klingen unauffällig, doch seine Wirkung ist verheerend: Das Nonstructural Protein 1 (Nsp1) ist eine der zentralen Waffen, die das neuartige Coronavirus SARS-CoV-2 einsetzt, um sich im menschlichen Körper auszubreiten. Bekannt war dieser Virulenzfaktor seit dem Ausbruch des verwandten SARS-Coronavirus vor gut zehn Jahren: Nsp1, so fanden Wissenschaftler bereits damals heraus, legt im Wirt die Proteinproduktion an den Ribosomen lahm. Doch nun haben Forscher der LMU und des Universitätsklinikums Ulm herausgefunden, was Nsp1 so gefährlich macht, und beschreiben detailliert die Mechanismen des Angriffs. Die Arbeit ist am 17. Juli im renommierten Wissenschaftsmagazin Science erschienen.

Ein wichtiger Virulenzfaktor von SARS-CoVs ist das Nicht­strukturprotein 1 (Nsp1). Seit dem Ausbruch der verwandten SARS-CoV vor mehr als 10 Jahren ist bekannt, dass Nsp1 die Produktion von Wirtsproteinen unterdrücken kann, indem es durch einen ungeklärten Mechanismus mit der ribosomalen 40S-Untereinheit assoziiert. Die kleinen 40S- und die großen 60S-Ribosomen-Untereinheiten bilden zusammen die zelluläre Maschinerie zur Proteinproduktion, das 80S-Ribosom, das unter Verwendung der mRNA als Vorlage Proteine produziert (Translation).

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Die Beckmann-Gruppe beschäftigt sich seit Jahrzehnten mit Ribosomen und Translation und hat zusammen mit der Sparrer-Gruppe der Universität Ulm beschlossen, Nsp1 aus dem aktuellen Coronavirus genauer zu analysieren. Sie fanden heraus, dass auch das Nsp1-Protein aus dem pandemischen SARS-CoV-2 an 40S-Untereinheiten aber auch an 80S-Ribosomen bindet. Infolgedessen wird die Übersetzung der zellulären mRNA in Proteine sowohl im in vitro Experiment als auch in menschlichen Zellen fast vollständig abgeschaltet. Die so inaktivierten Ribosomen konnten bis ins molekulare Detail mittels Kryo-Elektronenmikroskopie bei einer Auflösung von 2,6 Å sichtbar gemacht werden, sodass erkennbar war wie Nsp1 in den Tunnel für die mRNA bindet und dadurch das Ribosom inaktiviert. Dies war nur möglich mit Hilfe der in den letzten Jahren etablierten High-End-Ausrüstung der Kryo-Elektronenmikroskopie Einrichtung des Genzentrums, die gemeinsam von der LMU und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert wurde.
Interessanterweise hat die Sparrer-Gruppe von der Universität Ulm in menschlichen Zellen beobachtet, dass die weitgehende Abschaltung der Translation durch Nsp1 eine fast vollständige Hemmung der angeborenen Immunantwort zur Folge hat. Dies ist eines der wichtigsten zellulären Abwehrsysteme gegen Viren, welches somit durch Nsp1 neutralisiert wird und dadurch zur Immunevasion des Virus beiträgt. Daher könnte die Entschlüsselung des molekularen Hemmmechanismus von Nsp1 als Ausgangspunkt für die Entwicklung strukturbasierter Medikamente gegen SARS-CoV-2 dienen.
Animierte Zusammenfassung der Forschungsergebnisse

Bericht im BR Fernsehen vom 01.08.2020: Corona-Virus und Immunsystem

Auf der ganzen Welt forschen Wissenschaftler, um die Ausbreitung des Corona-Virus zu bekämpfen. Manchmal hat man den Eindruck, sie arbeiteten nicht so eng zusammen, wie es eigentlich nötig wäre. Aber es gibt auch Positivbeispiele! In München und Ulm machen Wissenschaftler gemeinsame Sache und haben rausgefunden, wie Corona unser Immunsystem lahmlegen kann.

 

Zur Pressemeldung der LMU
Zur Pressemeldung der Universität Ulm
Mehr zur Forschung von Prof. Roland Beckmann

Vielversprechender therapeutischer Ansatz bei SARS-CoV-2 Infektion

Die Arbeitsgruppe von Frau Prof. Marion Subklewe untersucht die adaptive (erworbene) Immunantwort bei Patienten, die an einer SARS-CoV-2 Infektion leiden. Im Vordergrund stehen dabei die T-Zellen, eine Gruppe von weißen Blutzellen, die der Immunabwehr dienen.  Diese werden hinsichtlich auftretender Unterarten und verschiedener Expressionsmarker charakterisiert. Der Wirkstoff Tocilizumab, ein IL-6 Rezeptor Antikörper, stellt einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz der SARS-CoV-2 Infektion dar.  Der immunmodulatorische Einfluss dieser Substanz auf das adaptive Immunsystem wird ebenfalls untersucht. Die Medizinische Klinik III des Klinikums der LMU ist das erste Prüfzentrum in Deutschland, welches die Wirksamkeit von Tocilizumab bei SARS-CoV-2 Infektionen in einer randomisierten Placebo-kontrollierten Studie prüft.
Mehr zur Forschung von Prof. Marion Subklewe
Pressemeldung LMU Klinikum vom 14.04.2020

Smartphone-App ermöglicht engmaschige digitale Nachsorge von Covid-19-Patienten

Die Ärzte des LMU Klinikums nutzen das COVID-19 Caregiver Cockpit von Cankado zur medizinischen Überwachung ihrer entlassenen Covid-19-Patienten, um so mögliche Komplikationen rechtzeitig zu erkennen - und gegebenenfalls zeitnah reagieren zu können. Ideengeberin war Prof. Marion Subklewe: Die Oberärztin der Medizinischen Klinik und Poliklinik III des LMU Klinikums setzt die App schon seit Längerem für die Betreuung von Krebspatienten ein und erkannte, dass die Anwendungssoftware auch für die digitale Nachsorge von Covid-19-Patienten genutzt werden kann.
Pressemeldung LMU Klinikum vom 04.05.2020

Herstellung und Nachweisverfahren für SARS-CoV-2 Antikörper

conzelmannDie Arbeitsgruppe von Prof. Karl-Klaus Conzelmann entwickelt auf der Basis von selbst-replizierenden RNAs SARS-CoV-2 Antigen Präsentationssysteme für Immunisierungszwecke und serologische Untersuchungen. In Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum München (HMGU) werden monoklonale Antikörper hergestellt, die für Antigen-Tests während der akuten Infektion eingesetzt werden sollen und die bisher benutzten Nukleinsäure-tests (RT-PCR) ergänzen können. Ein Immunfluoreszenztest mit SARS-1 und SARS-2 spezifischem Antigen wird für den Nachweis von COVID19-spezifischen Antikörpern (in der Abb. rot) bei erkrankten und genesenen Patienten eingesetzt. Solche serologischen Tests werden auch zur Bestimmung der Durchseuchungsrate benötigt.
Mehr zur Forschung von Prof. Karl-Klaus Conzelmann

Optimierung von Nachweisverfahren für SARS-CoV-2 Antikörper

Eine Infektion mit SARS-CoV-2 führt zu einer Immunreaktion, bei der spezifische Antikörper gebildet werden. Diese sind im Blut von erkrankten und genesenen Personen nachweisbar. Deshalb besteht ein enormer weltweiter Bedarf an sensitiven und spezifischen serologischen Nachweisen von SARS-CoV-2 Antikörpern. Die Herausforderung besteht darin, empfindliche Tests zu entwickeln, die jedoch nicht auf z.B. andere Coronaviren (z.B. Erkältungsviren) ansprechen. Die Arbeitsgruppe Hopfner stellt rekombinantes Protein aus SARS-CoV-2 her, um in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen Immunbiochemie (Prof. Hornung) und „Monoclonal Antibodies“ (Dr. Kremmer und Dr. Flaswinkel, Lehrstuhl Prof Leonhardt) Verfahren und Reagenzien für ELISA basierte Nachweismethoden zu optimieren.
Mehr zur Forschung von Prof. Karl-Peter Hopfner

Sequenzierung von SARS-CoV-2 Genomen

Covid-19 Nextstrain 2020-04-22Während der Ausbreitung verändert sich die genetische Information von SARS-Cov-2 ständig. Durch die Erfassung dieser Veränderung können wertvolle Erkenntnisse über Ausbreitungswege, Infektionsketten und Evolution von SARS-CoV-2 gewonnen werden. Die Arbeitsgruppen von Dr. Helmut Blum und von Prof. Oliver T. Keppler haben gemeinsam ein schnelles und kostengünstiges Verfahren zur Sequenzierung des SARS-CoV-2 Genoms etabliert. Aus Rachenabstrichen von Patienten wird das Virusgenom zunächst in einer Multiplex-PCR vermehrt und dann mit der Nanoporen-Sequenzierung bestimmt. Die Ergebnisse fließen in klinische und epidemiologische Studien ein und werden der wissenschaftlichen Gemeinschaft über die frei zugängliche Plattformen GISAID und Nextstrain zur Verfügung gestellt.
Mehr zur Forschung von Dr. Helmut Blum

Hochdurchsatz-Verfahren für die SARS-CoV-2 Diagnostik

BiomekNX

Zu Beginn der Pandemie bestand bei vielen Laboren ein Engpass in der SARS-CoV-2-PCR-Diagnostik: die Extraktion von viralen Nukleinsäuren aus Nasen-Rachen-Abstrichen und anderem Patientenmaterial der oberen Atemwege. Die viralen Nukleinsäuren werden für den anschließende PCR-Analyseschritt benötigt. Um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden, entwickelte der Automatisierungsspezialist Jochen Rech aus dem Labor Hornung in kurzer Zeit eine Hochdurchsatz-Nukleinsäure-Extraktions­methode. Diese ermöglicht die gleichzeitige Bearbeitung von 96 Proben in 30 Minuten. Mit diesem Aufbau konnten die Testkapazitäten des Max-von-Pettenkofer-Instituts, des Genzentrums der LMU und seines Universitäts­klinikums (Leiter der Virologie: Prof. Oliver T. Keppler) um bis zu 800 Proben pro Tag erhöht werden.

Die Untersuchungen werden im Rahmen von SARS-CoV-2-Forschungsstudien durchgeführt und auch in die qualitätskontrollierte Routinediagnostik von klinischen Proben implementiert.
Mehr zur Forschung von Prof. Veit Hornung

Fernsehbeiträge mit Virologe Prof. Oliver T. Keppler

Oliver T. Keppler, Professor für Virologie am Max-von-Pettenkofer-Institut und Mitglied des Genzentrums, ist ein gefragter Experte bei der Coronavirus Pandemie.

Tagesschau 11.06.2020: Ein Beitrag zur Impfstoffentwicklung

BR Fernsehen am 03.06.2020 Münchner Runde | Polit-Talk | Vergesst uns nicht – Corona-Risikogruppen im Abseits

Ob jung oder alt – Menschen mit Vorerkrankungen leiden besonders unter Corona. Viele trauen sich kaum mehr aus dem Haus. Denn für sie kann das Virus tödlich sein. Aber auch wer gesund und über 50 Jahre ist, gehört laut Experten zur Risikogruppe. Werden kranke und ältere Menschen ausreichend geschützt? Wie gefährlich sind die Lockerungen für sie? Welche Hilfe brauchen sie jetzt?

Die Gäste in der Sendung:
- Eugen Brysch, Vorstand Deutsche Stiftung Patientenschutz
- Florian Herrmann, CSU, Leiter der Bayerischen Staatskanzlei
- Oliver T. Keppler, Leiter der Virologie, Max von Pettenkofer-Institut, LMU München
- Michaela May, Schauspielerin und Schirmherrin der Aktion "Telefonengel"

BR extra vom 27.04.2020, 19:00 Uhr: Wie lange dauert die Corona-Krise?

Der Kampf gegen das Virus wird vermutlich noch mehrere Monate dauern. Die Menschen in Bayern werden sich daran gewöhnen müssen, dass sie Schutzmasken tragen und weitergehende Einschränkungen im öffentlichen Leben schultern müssen. BR-Chefredakteur Christian Nitsche in einem "BR extra" mit den beiden Münchner Virologen Prof. Dr. Ulrike Protzer und Prof. Dr. Oliver Keppler.

BR extra vom 26.03.2020, 20:44 Uhr: Wie besiegen wir Corona?

Virologin Prof. Ulrike Protzer vom Helmholtz Zentrum München und der Virologe Prof. Oliver T. Keppler vom Max von Pettenkofer-Institut beantworten Zuschauerfragen.

BR extra vom 25.03.2020, 19:00 Uhr: Wie gefährlich ist Corona?

Die Gäste in der Sendung:
- Prof. Dr. med. Oliver T. Keppler, Max von Pettenkofer-Institut
- Prof. Dr. med. Ulrike Protzer, Helmholtz Zentrum München

Visualization of the SARS-CoV-2 virulence factor Nsp1 hijacking human ribosomes

ribosome_beckmann_sarscov2The severe acute respiratory syndrome-coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the cause of the COVID-19 pandemic, has infected millions worldwide with a death toll amounting to hundreds of thousands. Neither vaccines nor efficient drugs are available so far. Researchers from LMU Gene Center and university of Ulm have determined how the pandemic coronavirus SARS-CoV-2 inhibits the synthesis of proteins in infected cells and shown that it effectively disarms the body’s innate immune system.

Although its name is relatively unspecific and indeed opaque, the Nonstructural Protein 1 (Nsp1) encoded by the coronavirus SARS-Cov-2, which is responsible for the current pandemic, has now been shown to have a devastating effect on host cells. Nsp1 is in fact one of the central weapons used by the virus to ensure its own replication and propagation in human hosts. Nsp1 was identified as a virulence factor following the outbreak of the related SARS coronavirus nearly 20 years ago, when it was shown to inhibit protein synthesis in infected cells. Now researchers based at LMU and Ulm University Hospital have discovered what makes Nsp1 so potent. In a paper which appears in the journal Science, they describe the protein’s mode of action in detail.

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The Beckmann group has studied ribosomes and translation for decades and, together with the Sparrer group of Ulm University, decided to analyze Nsp1 from the current Coronavirus in more detail. They found that the Nsp1 protein from pandemic SARS-CoV-2 binds to both, 40S subunits and to 80S ribosomes. As a result, translation of cellular mRNA is shutdown both, in vitro and in human cells. By high-end cryo-electron microscopy (cryo-EM) they discovered that the C-terminus of Nsp1 inserts into the mRNA entry channel as a hairpin of alpha-helices and blocks it for mRNA, thus explaining translation inhibition by Nsp1. Notably, binding in this channel depended strictly on two specific amino acid side chains of Nsp1, which were inserted into a distinct pocket on the ribosome. These important molecular details were resolved at a resolution of 2.6 Å, which was only possible with the recently established high-end equipment of the Gene Center cryo-EM facility, jointly funded by the LMU and the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Moreover, a cryo-EM inventory of native Nsp1-ribosome complexes, which were purified from transfected human cells, revealed 40S and unusual 80S ribosomes, all displaying the same mode of Nsp1 blocking the mRNA entry channel. Also in human cells, the Sparrer group of Ulm University observed that shutdown of translation by Nsp1 is responsible for a near complete inhibition of the innate immune response, one of the major cellular virus defense systems, thereby contributing to the immune evasion strategy of the virus. Thus, having deciphered in detail the molecular basis of the inhibitory mechanism of Nsp1 may serve as starting point for structure-based drug design against SARS-CoV-2.

Science 2020

LMU press release
University of Ulm press release

Promising therapeutic approach for SARS-CoV-2 infection

The research group of Prof. Marion Subklewe investigates the adaptive immune response in patients suffering from SARS-CoV-2 infection. In particular, the T cells are characterized with respect to subtypes and different expression markers. Tocilizumab, an IL-6 receptor antibody, represents a promising therapeutic approach for SARS-CoV-2 infection. The immunomodulatory influence of this substance on the adaptive immune system is also investigated. The Medical Clinic III of the LMU hospital is the first test center in Germany to evaluate the efficacy of tocilizumab in a randomized placebo-controlled study.

Smartphone app enables close digital follow-up of Covid-19 patients

The doctors at the LMU Klinikum use Cankado's COVID-19 Caregiver Cockpit for the medical monitoring of their discharged Covid-19 patients in order to detect possible complications in time - and to react promptly if necessary. The idea was inspired by Prof. Marion Subklewe: The senior physician of the Medical Clinic and Polyclinic III of the LMU Hospital has been using the app for a long time for the care of cancer patients and recognized that the application software can also be used for the digital follow-up care of Covid-19 patients.

Development and detection methods for SARS-CoV-2 antibodies

conzelmannThe research group of Prof. Conzelmann develops presentation systems for SARS-CoV-2 antigen based on self-replicating RNAs for immunization and serological investigations. In collaboration with Helmholtz Munich (HMGU) monoclonal antibodies (MAbs) are generated which shall be used for detection of virus in acute infections and which could complement the widely used PCR tests. An immunofluorescence test using SARS-1 and SARS-2 specific antigens is employed for demonstration of COVID-19 specific antibodies of diseased and recovered patients and useful for determining infection rates.

Optimization of detection methods for SARS-CoV-2 antibodies

Sensitive and specific serological detection of SARS-CoV-2 in sick and recovered patients is a worldwide need in the context of COVID-19. The tests are supposed to be highly sensitive but should not detect e.g. corona viruses that cause the common cold. The Hopfner lab is producing recombinant protein from SARS-CoV-2 in order to help optimize methods and provide reagents for ELISA procedures together with the groups Immunobiochemistry (Prof. Hornung) and “Monoclonal Antibodies” (Dr. Kremmer and Dr. Flaswinkel, Chair Prof. Leonhardt).

Sequencing of SARS-CoV-2 genomes

Covid-19 Nextstrain 2020-04-22During the spread, the genetic information of SARS-Cov-2 is constantly changing. By recording these changes, valuable insights into the propagation pathways, infection chains and evolution of SARS-CoV-2 can be gained. The research groups of Dr. H. Blum and Prof. Oliver T. Keppler have jointly established a fast and cost-effective method for sequencing of SARS-Cov-2 genomes. From throat swabs of patients the virus genome is first amplified in a multiplex PCR and then determined by nanopore sequencing. The results will be used in clinical and epidemiological studies and will be made available to the scientific community via the freely accessible platforms GISAID and Nextstrain.

High throughput diagnostics for SARS-CoV-2

BiomekNX

At the beginning of the corona pandemic many laboratories faced a bottleneck in SARS-CoV-2 PCR diagnostics: the extraction of viral nucleic acids from nasopharyngeal swabs and other respiratory material for subsequent PCR analysis. To meet these increasing demands, automation specialist Jochen Rech from the Hornung laboratory implemented a high throughput nucleic acid extraction methodology that allows the simultaneous processing of 96 samples in 30 minutes. With this setup at hand, the testing capacities of the Max von Pettenkofer Institute and Gene Center of the LMU and its university hospital (head of virology: Prof. Oliver T. Keppler) could be increased by up to 800 samples per day. Testings will be performed in the context of SARS-CoV-2 research studies and also be implemented into quality-controlled routine diagnostics of clinical samples.