Corona Mutationen: SARS-CoV-2-Varianten

Die genetische Information von Viren kann sich verändern. Insbesondere bei RNA-Viren, wie SARS-Coronavirus 2, kommt es bei ihrer Vermehrung im Menschen zu Mutationen durch Austausch (Substitution), Einfügen (Insertion) oder Verlust (Deletion) von Nukleotiden, also den Bausteinen des Genoms.

In den meisten Fällen haben diese Mutationen keine Konsequenzen und verlaufen weitgehend unbemerkt. Ändert sich allerdings die Basensequenz einzelner Gene so, dass dadurch eine andere Aminosäure in ein Protein eingebaut wird, kann dies Auswirkungen auf die Funktion des Proteins haben.

Mit der Ganzgenomsequenzierung (whole genome sequencing, auch: next generation sequencing [NGS]) wird die gesamte genetische Information eines Virus von einem infizierten Menschen bestimmt. Beim Vergleich mit den Sequenzen anderer SARS-CoV-2 Infizierter ermöglichen die o. a. Veränderungen lokale und weltweite Verwandtschaftsanalysen und die Rückverfolgung von Infektionsketten. Damit gelingt es aber auch auffällige, sich neu und/oder besonders erfolgreich ausbreitende Virusvarianten zu erkennen.

Die Informationen zusammen mit einer Namensgebung werden im Wesentlichen auf zwei im Internet frei zugänglichen Plattformen zur Verfügung gestellt:

PANGO lineages und GISAID. Pangolin (Phylogenetic assignment of named global outbreak lineages; https://cov-lineages.org/ ) geht auf eine Initiative englischsprachiger universitärer Einrichtungen zurück.

GISAID (Global Initiative on Sharing All Influenza Data; https://www.gisaid.org/ ) wurde 2008 gegründet, um den freien und schnellen Datenaustausch von Influenza- und SARS-Coronaviren Sequenzen zu ermöglichen. Im Folgenden wird die SARS-CoV-2 Nomenklatur von PANGO verwendet.

Im Rahmen eines nationalen Projektes werden Isolate von SARS-CoV-2 in Großbritannien seit Beginn der Pandemie an mehreren Standorten sequenziert. Dadurch wurde erkannt, dass ein erneuter Anstieg der Inzidenz Ende 2020 durch eine sich rasch ausbreitende neu aufgetretene Variante verursacht wurde. Erstmalig im September 2020 beschrieben wurde diese der Viruslinie B.1.1.7 zugeordnet und ursprünglich als „britische Variante“ bezeichnet –  laut WHO wird sie Variante Alpha genannt. In Deutschland wurden Sequenzierungen im Wesentlichen vom Nationalen Konsiliarlaboratorium für Coronaviren im Institut für Virologie an der Charité in Berlin durchgeführt.

Was sind VOC (variants of concern)?

Mit seinem Spike Protein bindet das SARS-CoV-2 an seine Zielzelle im Menschen, um in die Zelle einzudringen und sich zu vermehren. Dieses Protein ist die Grundlage von Impfstoffen. Die Bildung von Antikörpern gegen das Spike Protein soll die Bindung des Virus verhindern, das Virus „neutralisieren“ und so vor einer Infektion, aber insbesondere vor einer schweren Covid-19-Erkrankung schützen. Veränderungen der Struktur könnten die Wirkung von Impfstoffen und die Wirkung von monoklonalen Antikörpern reduzieren, die zur Therapie eingesetzt werden. Daher besteht großes Interesse Mutationen in diesem Protein bzw. in seinem kodierenden Gen zu erkennen.

Die zufällig entstandene Veränderung der Variante Alpha geht mit einer stärkeren Bindung an den Zellrezeptor im Menschen und mit einer höheren Übertragungsrate einher. Dieser Vorteil sorgt dafür, dass diese Variante besser als alle anderen zirkulierenden SARS-CoV-2 Varianten übertragen wird. Entsprechend wurde sie schnell zur vorherrschenden Variante in Großbritannien.

Die WHO beobachtet zusammen mit Experten die SARS-CoV-2 Evolution seit Beginn der Pandemie Anfang 2020 (https://www.who.int/en/activities/tracking-SARS-CoV-2-variants ). Das Auftreten der Variante Alpha sowie weiterer sich auffällig schnell verbreitenden Varianten in Südafrika (Beta) und Brasilien (Gamma) einhergehend mit einer hohen Inzidenz Infizierter und schwer verlaufenden Erkrankungen führte zur Charakterisierung von variants of concern (VOC) und variants of interest (VOI). Damit werden Varianten bezeichnet, die hinsichtlich

  • Übertragungsrate
  • Immunität und/oder
  • Schwere der Covid-19-Erkrankung

besonders auffällig und abweichend von den bisher Beobachteten sind

https://www.ecdc.europa.eu/en/covid-19/variants-concern.

Übertragungsrate: Nach Angaben der CDC gibt es ausreichend Beweise für eine 20 bis 50% höhere Übertragungsrate der Alpha-, Beta- und Epsilon-Varianten im Vergleich zu den SARS-CoV-2, die keine Mutationen im Spike Protein aufweisen.

Immunität: Es wird im Labor untersucht, ob die neuen Varianten durch Antikörper, die nach einer Infektion oder einer Impfung gebildet werden, unverändert gehemmt werden. Für die Variante Beta wurde in mehreren Studien gezeigt, dass Seren mit Antikörpern von nach COVID-19 Genesenen und von Geimpften das Virus weniger gut hemmen können im Vergleich zum ursprünglichen Virus ohne Mutationen.

Es wird zudem geprüft, ob die zur Therapie verfügbaren verschiedenen monoklonalen Antikörper (MAK) die neuen Varianten wie bisher neutralisieren, ob deren Wirkung reduziert ist oder ob sie sogar unwirksam sind. In den vorläufigen Zulassungsdaten der monoklonalen Antikörper (https://www.fda.gov/media/145611/download) wird explizit gelistet, dass die bei VOC beschriebenen Mutationen des Spike Proteins mit einer 25- und bis zu > 1000fach geringeren Effektivität der MAK im Neutralisationstest einhergehen. Auf diesen Erkenntnissen basieren die Empfehlungen zur Therapie mit diesen Präparaten.

Schwere der COVID-19-Erkrankung: In mehreren Studien wurde gezeigt, dass die Variante Alpha das Risiko erhöht für schwere und für tödliche Krankheitsverläufe – verglichen mit früheren Daten als diese Variante noch nicht gefunden wurde.

Die Klassifikation neu auftretender, auffälliger Varianten als VOC, VOI oder variants under monitoring (https://www.ecdc.europa.eu/en/covid-19/variants-concernhttps://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/variants/variant-info.html) trifft jede nationale Gesundheitsbehörde orientiert am lokalen/nationalen Geschehen. So werden die in den USA zirkulierenden Varianten B.1.427 und B.1.429 von der US-amerikanischen Gesundheitsbehörde CDC (Centers für Disease Control and Prevention) als VOC bezeichnet, vom europäischen Zentrum für Krankheitsprävention und –kontrolle (ECDC) aber als VOI, ebenso von der WHO, die die beiden Varianten zusammen als Variante Epsilon bezeichnet hat.

WHO-Bezeichnung Alpha Alpha Beta Gamma Delta Eta Epsilon Kappa
Viruslinie
(Pangolin lineages)
B.1.1.7 B.1.1.7+ B.1.351 P.1 B.1.617.2 B.1.525 B.1.427/
B.1.429
B.1.617.1/
B.1.617.3

VOC (variants of concern) [seit]

x
[18.12.20]

x
 
x
[18.12.20]
x
[11.01.21]
x
[11.05.21]
  x
[nach CDC 04/21]
 

VOI (variants of interest) [seit]

 

      x
[04.04.2021]
x
[17.03.21]
x
[ECDC/WHO 05.03.21]
x
[04.04.21]
Erstmalig nachgewiesen
Datum/Region

September
2020
UK

Ende
2020
UK
Mai
2020
Südafrika
November
2020
Brasilien
Oktober
2020
Indien
Dezember
2020
mehrere Regionen
März
2020
Kalifornien, USA

Oktober
2020
Indien

Position der veränderten Aminosäure (AS): ursprüngliche/ Position der/veränderte AS  
Betrifft Rezeptorbindungsstelle
N501Y x x x x        
del* 69H/V70 x x       x    
E484K   x x x   x    
E484Q   x           x
K417N     x   x (nur AY.1)      
K417T       x        
L452R         x   x x
P681R         x     x (nur B.1.617.3)
P681H x x            
W152C             x  

* del =  Position und AS der Deletion

Untersuchungen von SARS-CoV-2 Mutationen in Deutschland 

Zur Optimierung der epidemiologischen Kenntnisse in Anbetracht der drohenden Ausbreitung von VOC trat die Coronavirus-Surveillanceverordnung – CorSurV am 19. Januar 2021 in Kraft. Damit werden die Labore aufgefordert, abhängig von der Inzidenz 5% bis maximal 10% der SARS-CoV-2 positiv getesteten Proben einer Ganzgenomsequenzierung zuzuführen und die Daten auf eine nationale Internet-Plattform zu übermitteln.

Die Ganzgenomsequenzierung erfordert eine hohe Viruskonzentration in der Probe (entsprechend einem Ct-Wert von < 25) und ist zeitaufwendig. Die typischen Mutationen der im Dezember 2020 und Januar 2021 initial definierten drei VOC können mittels PCR wesentlich schneller und auch bei geringeren Viruskonzentrationen (Ct < 30) gefunden werden.

Ab Ende Januar 2021 identifizierten fünf große Laborverbünde in Deutschland die in den positiven Proben vorliegenden VOC mittels PCR. Die Daten wurden zweiwöchentlich vom BMG und RKI deutschlandweit ausgewertet und berichtet Berichte zu Virusvarianten von SARS-CoV-2 in Deutschland 

Ergänzend wurde der Nachweis von VOC den jeweils zuständigen Gesundheitsämtern gemeldet. Damit konnte anhand von über 30.000 Untersuchungen pro Woche die rasche, wenngleich regional zeitlich versetzte Ausbreitung der Variante Alpha gezeigt werden. Diese verdrängte alle anderen Viruslinien und ist mit > 90% seit April 2021 die vorherrschende, also dominante Viruslinie.

Die rasche Ausbreitung ist in der folgenden Abbildung anhand der im LADR Zentrallabor in Geesthacht erhobenen Daten dargestellt. Initial wurden Proben aus nahezu allen Laboren des Verbundes untersucht. Die Analysen werden zusammengefasst nach Regionen für die LADR Facharztlabore im LADR Zentrallabor, im LADR Laborzentrum Recklinghausen bzw. im LADR Laborzentrum Nord-West durchgeführt.

Abbildung: Ausbreitung der Variante Alpha
(Quelle: eigene Daten von mehreren Laboren im LADR Laborverbund)

Während die ersten VOC (Alpha, Beta und Gamma) alle die Mutation N501Y aufweisen, zeigen Delta und viele VOI diese nicht, dafür aber andere Mutationen. Diese Mutationen, z.B. die für die Delta Variante typische L452R Mutation, finden sich aber bei mindestens 8 weiteren Viruslinien, die unter Beobachtung stehen (variants under monitoring, ECDC). Damit wird die Varianten-Analyse mittels PCR Verfahren zu umfangreich für die Routinediagnostik. Die angestrebte Identifikation ist nur über eine Ganzgenomsequenzierung möglich.  

Download: LADR informiert 320 "Wie aussagekräftig ist der Ct-Wert?"