Gene und Proteine: Wissenschaftler finden Faktoren, die über den Verlauf einer COVID-19-Erkrankung mitentscheiden

Die Ursachen für einen schweren COVID-19-Verlauf sind noch immer nicht ausreichend verstanden, ein Schlüssel dazu könnte im menschlichen Erbgut liegen.

Wissenschaftler vom Berlin Institute of Health in der Charité (BIH) haben nun gemeinsam mit Kollegen aus Großbritannien und Kanada Gene und Proteine gefunden, die zu einem höheren Risiko für einen schweren Verlauf beitragen. Dr. Maik Pietzner, Wissenschaftler im Digital Health Center des BIH in der Abteilung für Computational Medicine, erklärt: „Man beobachtet zum Beispiel, dass die Anfälligkeit für eine Infektion von der Blutgruppe abhängt, die ja vererbt wird. Daher lag es nahe, dass auch der Verlauf der Erkrankung zumindest teilweise genetisch bedingt ist.“

Die Forschenden am BIH erhielten Zugang zu genetischen Daten, die Wissenschaftler weltweit von COVID-19-Patienten erhoben hatten. Ebenso war dokumentiert, wie die Krankheit bei den Betroffenen verlaufen war. „Unser Erbgut enthält seltene und häufige Veränderungen in seinem Buchstabencode, die allermeisten davon bleiben ohne jede Konsequenz“, berichtet Pietzner. „Allerdings gibt es etwa 17 Bereiche, die mit einem höheren Risiko für schwere Krankheitsverläufe für COVID-19 in Verbindung gebracht wurden. Der zugrunde liegende Mechanismus war bisher aber oft völlig unklar.“

Die Wissenschaftler aus der Abteilung Computational Medicine am BIH hatten bereits eine Methode entwickelt, mit der sich herausfinden lässt, was genau die auffälligen Abschnitte auf der DNA eigentlich bewirken. Diese Methode wandten sie bei der aktuellen Studie an und stießen dabei auf insgesamt acht interessante Proteine. „Darunter war ein Eiweiß, das für die Blutgruppe verantwortlich ist“, erklärt Prof. Claudia Langenberg, Leiterin der Abteilung Computational Medicine. „Das wusste man ja schon und dieses trägt auch nur zum Infektionsrisiko und nicht zu schweren Verläufen bei. Viel relevanter war das Protein ELF5. COVID-19 Patienten, die ins Krankenhaus eingeliefert und beatmet wurden oder vielleicht sogar starben, hatten wesentlich häufiger eine Veränderung im entsprechenden Gen, dem Bauplan von ELF5. Deshalb haben wir uns das genauer angeschaut.“

Das Team wandte sich an Kollegen von der Abteilung Intelligente Bildgebung, ebenfalls im Digital Health Center des BIH. Lorenz Chua, Doktorand in der Abteilung und neben Pietzner der zweite Erstautor der Veröffentlichung ist Experte für Single Cell Analysen. Er untersuchte, in welchen Zellen das Protein ELF5 besonders häufig vorkommt. „Dabei haben wir gesehen, dass ELF5 in allen Oberflächenzellen der Haut oder der Schleimhäute vorkommt, insbesondere aber in der Lunge gebildet wird. Da das Virus ja vor allem in der Lunge Schaden anrichtet, erschien uns das auch sehr plausibel.“

Die Hoffnung, dass hier möglicherweise ein neues Zielmolekül für Medikamente gefunden wurde, dämpft Prof. Christian Conrad, Leiter der Abteilung für Intelligent Imaging. „ELF5 ist ein Transkriptionsfaktor. Er steuert, wie häufig oder wie selten andere Gene an- und abgeschaltet werden, und zwar im ganzen Körper. Da ist es leider nur schwer vorstellbar, hier einzugreifen, denn das hätte mit Sicherheit viele unerwünschte Nebenwirkungen.“

Die Wissenschaftler haben jedoch einen weiteren interessanten Kandidaten unter den acht Verdächtigen gefunden: Das Eiweiß G-CSF dient als Wachstumsfaktor im Blutsystem. COVID-19-Patienten, die genetisch bedingt mehr G-CSF produzierten, erkrankten weniger schwer. Synthetisches G-CSF gibt es bereits lange als Medikament, möglicherweise ließe sich hier über eine Anwendung bei COVID-19-Patienten spekulieren.

Doch auch wenn die Übertragung solcher genetischen Ergebnisse in die Klinik noch eher fern liegt, betont Langenberg, dass der Fund dennoch große Bedeutung hat. „Die Arbeit war nur dank der Unterstützung von vielen Kolleg*innen aus BIH und Charité und der frei zugänglichen Ergebnisse weltweiter Studien möglich. Sie zeigt, wie offene Wissenschaft und internationale Teamarbeit aufdecken können, wie kleinste Veränderungen in unserem Erbgut den Verlauf einer Krankheit, in diesem Beispiel COVID-19, verändern.“ Und Pietzner ergänzt: „Wir haben mit weltweiten Daten von 100.000 Teilnehmer*innen angefangen und sind bei einzelnen Molekülen in einzelnen Zellen gelandet. Das sind im Moment noch Grundlagenergebnisse. Aber dieser große Bogen hilft uns dabei, das Virus und die von ihm hervorgerufene Krankheit besser zu verstehen. Und damit sind wir auf künftige Pandemien besser vorbereitet.“