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.

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

Immunität: Es wird im Labor untersucht, ob die neuen Varianten durch Antikörper, die nach einer Infektion oder einer Impfung gebildet werden, unverändert gehemmt werden. Zudem wird 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- bis zu > 1000-fach geringeren Effektivität der MAK im Neutralisationstest einhergehen. Auf diesen Erkenntnissen basieren die Empfehlungen zur Therapie mit diesen Präparaten.

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.

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 zeitaufwändig. 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, siehe 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 war mit > 90% seit April 2021 die vorherrschende, also dominante Viruslinie.

Variante Delta (B.1.617.2)

In Deutschland ist die Delta-Variante B.1.627.2 von SARS-CoV-2 Ende Juni 2021 zur vorherrschenden Mutante geworden und gehört zu den besorgniserregenden Coronavirus-Varianten (VOC). Sie hat sich noch schneller verbreitet als zuvor die Alpha-Variante; deren Anteil sank rasch von 91% Ende Mai auf 33% Ende Juni. Die Delta-Variante des Virus hat eine kürzere Inkubationszeit, und im PCR-Abstrich werden oft 1000-fach mehr Virusgene nachgewiesen. US-Forscher führen dies in Science (2021: DOI: 10.1126/science.abl9463) auf Veränderungen im S-Protein zurück, die einen schnelleren und effizienteren Eintritt in die Zellen ermöglichen. In Deutschland herrscht weiterhin die Variante Delta vor (RKI KW46: 99,8%).

Wichtige SARS-CoV-2-Virusvariante (VOC)

WHO-Bezeichnung Viruslinie Erstmalig
nachgewiesen in
Mutationen im
Spike-Protein
Jahr und Monat der ersten Entdeckung

Beta

B.1.351

Südafrika
 
K417N, E484K, N501Y, D614G, A701V September 2020

Gamma

P.1

Brasilien K417T, E484K, N501Y, D614G, H655Y Dezember 2020
Delta

B.1.617.2

Indien L452R, T478K, D614G, P681R Dezember 2020

Omicron

B.1.1.529 Südafrika und Botswana (x) November 2021

(x): A67V, Δ69-70, T95I, G142D, Δ143-145, Δ211-212, ins214EPE, G339D, S371L, S373P, S375F, K417N, N440K, G446S, S477N, T478K, E484A, Q493R, G496S, Q498R, N501Y, Y505H, T547K, D614G, H655Y, N679K, P681H, N764K, D796Y, N856K, Q954H, N969K, L981F; Quelle: adaptiert aus https://www.ecdc.europa.eu/en/covid-19/variants-concern

Variante Omicron (B.1.1.529)

B.1.1.529 fiel erstmals am 9. November in Botswana bei einer Sequenzierung von SARS-CoV-2 auf und hat sich in den letzten Wochen in der südafrikanischen Provinz Gauteng, zu der auch die Großstadt Johannesburg gehört, rasch ausgebreitet. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat am 26.11.2021 die Variante B.1.1.529 (Omicron) zur besorgniserregenden SARS-CoV-2-Virusvariante (VOC) erklärt. Diese Variante unterscheidet sich an 50 Positionen vom Wildtyp. Darunter sind 32 Veränderungen im Gen des Spike-Proteins, von denen 15 in der Rezeptorbindungsstelle lokalisiert sind. Ein Hinweis auf eine erhöhte Übertragbarkeit könnte sein, dass die Fallzahlen in Südafrika in den vergangenen Wochen stark zugenommen haben, zeitgleich mit dem Nachweis der Variante B.1.1.529. Noch gibt es aber keine belastbaren Zahlen über das Ausmaß der Omicron-Epidemie in Südafrika. "Für eine veränderte Krankheitsschwere gibt es derzeit keine Hinweise", betont Christian Drosten. Nach Angaben der Mediziner-Vereinigung SAMA in Südafrika erkrankten die dort Infizierten bisher nicht schwerwiegender.

Ein schneller Hinweis darauf, ob eine Probe einer der aktuell wichtigen Virusvarianten (siehe Tabelle oben) angehört, ist mittels verschiedener mutationsspezifischer PCR-Tests möglich, die aufeinanderfolgend kombiniert werden. Die Bestätigung kann dann durch eine Sequenzierung erfolgen.

Bis auf Weiteres führt das LADR-Zentrallabor mutationsspezifische PCRs in der SARS-CoV-2 Diagnostik nicht mehr in vollem Umfang durch.

Aufgrund der hohen Anzahl von SARS-COV-2-Nachweisen und der derzeit stark dominierenden Delta-Variante (> 99%), werden die mutationsspezifischen PCRs zur Bestimmung der ursächlichen Virusvariante von SARS-CoV‑2 bis auf Weiteres nicht mehr durchgeführt. Das Vorgehen bzgl. der Vollgenomsequenzierung der Proben bleibt von dieser Änderung unberührt.

Mithilfe der mutationsspezifischen PCRs der SARS-CoV-2 Diagnostik kann auf das Vorliegen einer bestimmten Viruslinie (z.B. Delta-Variante) geschlossen werden. Eine direkte Bestimmung der Virus-Variante ist mit dieser Methodik jedoch nicht möglich, dies kann nur durch eine Vollgenomsequenzierung erfolgen. Im Rahmen der Coronavirus-Surveillanceverordnung (CorSurV) des BMG/RKI führen wir bei Erstdiagnosen und ausreichend hoher Viruslast eine Vollgenomsequenzierung zur genauen Charakterisierung der vorliegenden Virusvariante nach der Handlungsanleitung des RKI durch. Diese Untersuchungen dienen in erster Linie epidemiologischen Fragestellungen und weniger den klinischen Entscheidungen. Die Sequenzen werden an das Robert Koch-Institut übermittelt und der internationalen Datenbank GISAID zur Verfügung gestellt.

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