A Severe COVID-19-associated hNTPDase2 Variant is Enzymatically Inactive

In der mikroskopischen Welt unseres Körpers kommunizieren Zellen ständig mittels chemischer Signale, von denen einige aus Molekülen aufgebaut sind, die als Nukleotide bezeichnet werden. Unter diesen fungiert ein Molekül namens ATP als leistungsstarkes Signal, das Entzündungen auslösen kann, was im Wesentlichen wie das Läuten eines Alarms wirkt, um das Immunsystem an einer Verletzungs- oder Infektionsstelle herbeizurufen. Unter normalen Umständen verfügt der Körper über eine ausgeklügelte Aufräumcrew aus Enzymen, die diese Signale abbauen, sobald sie ihre Aufgabe erfüllt haben, um zu verhindern, dass der Alarm zu laut oder zu lange schrillt. Ein solches Enzym namens hNTPDase2 sitzt auf der Oberfläche bestimmter Zellen und fungiert wie eine spezialisierte Schere, die ATP und ähnliche Moleküle zerschneidet, um deren Spiegel unter Kontrolle zu halten. Wenn dieses System korrekt arbeitet, wird die Entzündung kontrolliert und begrenzt. Wenn jedoch die Mengen dieser Signalmoleküle zu hoch werden, wie es bei schweren Fällen von Atemwegserkrankungen der Fall ist, kann die daraus resultierende überaktive Immunreaktion das Gewebe schädigen, das sie eigentlich schützen soll.

Forscher wissen schon lange, dass Patienten, die an schweren Formen von COVID-19 leiden, oft gefährlich hohe Werte dieser extrazellulären Signalmoleküle aufweisen. Eine kürzlich veröffentlichte Studie eines Teams der Université Laval in Kanada untersucht eine spezifische genetische Variation, die bei einigen dieser Patienten gefunden wurde und erklären könnte, warum ihr Körper diesen Prozess nicht regulieren konnte. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf einen winzigen Fehler im genetischen Code für das hNTPDase2-Enzym, eine Mutation, die in medizinischen Datenbanken als potenziell schädlich eingestuft worden war. Durch die Rekonstruktion dieser spezifischen genetischen Variante im Labor entdeckte das Team, dass die Mutation die Fähigkeit des Enzyms, zu funktionieren, vollständig zerstört. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass Personen, die diesen genetischen Defekt tragen, die molekularen Scheren vermissen lassen, die notwendig sind, um überschüssiges ATP abzubauen, was potenziell ihre Atemwege in einen Zustand unkontrollierter Entzündung versetzt, der den Schweregrad der Erkrankung verschlimmert.

Die Studie begann mit einer genauen Untersuchung einer spezifischen Gensequenz, die bei schweren COVID-19-Patienten gefunden wurde. Die Forscher identifizierten ein einzelnes fehlendes „Lettern“ in den DNA-Anweisungen für das hNDTPDase2-Enzym. In der Sprache der Genetik verursacht diese kleine Deletion eine Verschiebung in der Art und Weise, wie die gesamte verbleibende Sequenz gelesen wird, vergleichbar damit, einen einzelnen Buchstaben aus einem Satz zu entfernen und dadurch die Bedeutung jedes folgenden Wortes zu verändern. Diese Verschiebung führt zur Erzeugung eines vorzeitigen Stopp-Signals, was dazu führt, dass der Körper ein Protein baut, das signifikant kürzer ist als die Vollversion. Anstatt der üblichen 495 Bausteine oder Aminosäuren stoppt das mutierte Protein bei 408. Diese Verkürzung ist entscheidend, da sie das äußerste Ende des Proteins abschneidet, wodurch die C-terminale Transmembrandomäne und mehrere andere Teile entfernt werden, die für die Aufgabe des Enzyms essenziell sind.

Um genau zu verstehen, was dieser genetische Fehler für die Funktion des Enzyms bedeutete, rekonstruierten die Wissenschaftler die Mutation in einer Laborumgebung. Sie verwendeten eine Technik namens ortsspezifische Mutagenese (site-directed mutagenesis), um dieselbe einzelne Buchstaben-Deletion in eine DNA-Sequenz einzuführen, die sie kloniert hatten, wodurch sie eine Version des Enzyms erzeugten, die sie hN2COV nannten. Sie fügten diesen genetischen Code dann in lebende Zellen ein, speziell in eine Hamster-Zelllinie, die häufig für die Proteinproduktion verwendet wird, um zu sehen, ob die Zellen das fehlerhafte Enzym bauen würden. Um das Protein verfolgen zu können, fügten sie ein kleines molekulares Tag am Ende sowohl der normalen als auch der mutierten Version hinzu. Das Team bestätigte, dass die Zellen tatsächlich die mRNA-Anweisungen für das mutierte Protein produzierten, was bewies, dass der genetische Code gelesen wurde. Als sie jedoch nach dem eigentlichen Protein suchten, indem sie Antikörper verwendeten, die für das normale Enzym entwickelt worden waren, konnten sie es nicht finden. Dies deutete darauf hin, dass das mutierte Protein entweder instabil oder strukturell so unterschiedlich war, dass die Standard-Detektionswerkzeuge es nicht erkennen konnten.

Die Forscher wandten sich dann einer direkteren Methode zu, um zu sehen, ob das mutierte Enzym noch seine Arbeit verrichten konnte. Sie maßen die Fähigkeit des Enzyms, ATP, ADP, UTP und UDP abzubauen – die vier Hauptmoleküle, die es verarbeiten soll. Unter Verwendung eines Standard-Chemietests, der die Freisetzung von Phosphat bei der Spaltung dieser Moleküle detektiert, verglichen sie die Leistung des normalen Enzyms mit der der mutierten Version. Die Ergebnisse waren drastisch und eindeutig. Das normale Enzym baute ATP und UTP effizient ab, wie erwartet. Im Gegensatz dazu zeigte das mutierte hN2COV keinerlei detektierbare Aktivität. Es war völlig unfähig, keines der vier Substrate abzubauen. Dies bestätigte, dass die Mutation nicht nur ein kleiner Fehler war, sondern ein totaler Funktionsverlust, der das Enzym nutzlos machte.

Der Grund für dieses totale Versagen liegt in den spezifischen Teilen des Proteins, die verloren gingen. Der fehlende Schwanz des Enzyms enthielt eine entscheidende Aminosäure namens Cystein 399, von der bekannt ist, dass sie eine chemische Brücke mit einem anderen Teil des Proteins bildet, um dessen Form zu halten. Ohne diese Brücke kann sich das Enzym nicht korrekt falten. Der fehlende Abschnitt enthielt auch eine Stelle, an der normalerweise Zuckermoleküle angehängt werden – ein Prozess, der für die volle Aktivität des Enzyms essenziell ist – sowie andere Rückstände, die dem Enzym helfen, seine Zielmoleküle zu greifen. Das Team stellte fest, dass die Mutation den fehlenden natürlichen Schwanz durch eine kurze, zufällige Kette von 18 neuen Aminosäuren ersetzte, die zu keiner bekannten Proteinfamilie gehören und somit keine Chance boten, dass das Enzym eine neue Funktion gewinnen könnte, um den Verlust zu kompensieren.

Die Auswirkungen dieser Entdeckung reichen über den Labortisch hinaus. Während das Enzym nicht in den Blutzellen vorkommt, die im gesamten Körper zirkulieren, ist es in der Auskleidung der Atemwege vorhanden, einschließlich der Nase und der Bronchien. Dies ist genau der Ort, an dem das Virus, das COVID-19 verursacht, zuerst in den Körper eindringt und ihn angreift. Bei anderen Atemwegsinfektionen, wie etwa der Grippe, wurden hohe ATP-Spiegel in den Atemwegen mit schweren Schwellungen und Flüssigkeitsansammlungen in Verbindung gebracht. Die Forscher schlagen vor, dass bei Patienten mit dieser spezifischen genetischen Mutation das Fehlen von funktionなchem hNTPDase2 in den Atemwegen dazu führt, dass das während der viralen Infektion erzeugte überschüssige ATP nicht abgebaut werden kann. Diese Akkumulation hält den Immunalarm wahrscheinlich zu laut schrillend, was zu einer aggressiveren und schädlicheren Entzündungsreaktion führt, die den Schweregrad der Krankheit verschlimmert.

Die Studie behauptet nicht, dass diese Mutation die alleinige Ursache für schweres COVID-19 ist, noch legt sie nahe, dass jeder Patient mit schweren Symptomen diese spezifische genetische Veranlagung besitzt. Stattdessen liefert die Arbeit eine klare mechanistische Erklärung dafür, warum die Krankheit bei einer Untergruppe von Individuen schwerwiegender verlaufen könnte. Indem sie nachgewiesen haben, dass diese spezifische Variante enzymatisch inaktiv ist, haben die Forscher eine potenzielle biologische Schwachstelle identifiziert. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Störung der Nukleotid-Signalisierung in den Atemwegen ein lokaler Faktor sein könnte, der die Krankheit verschlimmert, was auf einen spezifischen Bereich hinweist, in dem die natürlichen Abwehrmechanismen des Körpers versagt haben. Diese Erkenntnis bietet ein klareres Bild der biologischen Landschaft in schweren Fällen und unterstreicht die Bedeutung genetischer Variationen bei der Reaktion des Einzelnen auf Atemwegsinfektionen.