Constructor Universität

Projekttitel:

Fungieren Nervenzellantennen generell und bei seltenen Erkrankungen als Eintrittspforten für das neuartige Coronavirus.

Projektleitung:

Dr. Klaudia Brix, Professor of Cell Biology, School of Science, Constructor University, Bremen, Germany

ProjektmitarbeiterInnen:

Bernardo Oliveira, Maren Rehders, Dorothea Schmidt, Vaishnavi Venugopalan

with Alisa Arendt, Shyline T. Bajaba, Pedro Cavalcanti, Marianne E. P. Ceniza, R. Delia Mera, Maksym Nadelnyuk, Dragos-Aurelian Vasvari

Motivation und Zielsetzung

Zu Beginn der Kooperation mit der Constructor University im Jahr 2020 stand der Wunsch der HAORI-Stiftung, einen Beitrag zur Erforschung des seinerzeit neuartigen Coronavirus, SARS-CoV-2, zu leisten. Dieses Virus hat uns seit der COVID-19 Pandemie intensiv beschäftigt und wird auch weiterhin genauer studiert werden müssen, um neurologische Symptome bei Patienten mit Long-COVID besser zu verstehen.

Die HAORI-Stiftung hat es uns mit ihrer kontinuierlichen Unterstützung ermöglicht, ein neues Forschungsprojekt an der Constructor University zu etablieren, in dessen Zentrum Nervenzellen (Neuronen) und ihre bisher nicht ausreichend erforschten Zellantennen (Cilien) stehen. Wir untersuchen, ob und wie das Virus mit Nervenzellen interagiert und arbeiten dabei nicht mit dem Virus selbst, sondern nur mit den Spike Proteinen seiner Virushülle.

Forschungsfokus

Ziel unserer Arbeitsgruppe ist es, besser zu verstehen, wie das Spike Protein des Coronavirus mit Neuronen interagiert und welche Veränderungen oder sogar Schäden dadurch in den Zellen entstehen können.

Wie können Nervenzellen im Labor untersucht werden?

Bild 1: Das Bild zeigt die menschliche Zelllinie SH-SY5Y nach Differenzierung in der Zellkultur zu Neuronen-ähnlichen Zellen, die durch lange Zellausläufer miteinander verbunden sind.

Sind Rezeptoren und Enzyme für die Bindung und Aktivierung des Coronavirus bei Nervenzellen zu finden?

Eine zentrale Aufgabe unseres Forschungsprojekts ist es, zu klären, ob Nervenzellantennen als Orte einer viralen Infektion in Frage kommen. Für das Eindringen von Coranaviren wie SARS-CoV-2 sind Rezeptoren auf der Zelloberfläche und bestimmte Enzyme verantwortlich. Das Virus bindet zunächst mit den Spike Proteinen zelluläre Rezeptoren wie ACE2, Neuropilin oder Basigin (Bild 2, links und Mitte). Im weiteren Verlauf muss das Spike Protein von Enzymen wie TMPRSS2 oder Cathepsin L (Bild 2, rechts) an bestimmten Stellen geschnitten werden, damit es zu einer viralen Infektion von Körperzellen kommt.

Bild 2: Die Aufnahmen zeigen den möglichen Virus Bindungsrezeptor Basigin entlang der Zellausläufer (orange) sowie das Spike Protein aktivierende Cathepsin L Enzym (grün); die Zellkerne sind in grau dargestellt.

Sind Nervenzellen mit SARS-COV-2 infizierbar?

Wir konnten erstmal zeigen, dass Nervenzellkulturen durch Pseudoviren infiziert werden, die mit SARS-CoV-2 Spike Proteinen beladen sind (siehe, Oliveira et al., 2024). Überraschend war der Befund, dass ein Kontakt von Spike Proteinen allein mit Nervenzellen ausreicht, um deren Zellskelett zu verändern (Bild 3). Nicht weniger überraschend war die Beobachtung, dass das Cathepsin L Enzym in die Umgebung der neuronalen Zellen abgegeben wird, wenn sie mit Coronavirus Spike Proteinen in Kontakt kommen. Cathepsin L kann dann wiederum an die Nervenzellen binden und so zu Nervenzellveränderungen beitragen.

Bild 3: Die Bilder zeigen SH-SY5Y Zellen, die nicht (Mock) oder mit einem Pseudo-Virus inkubiert wurden, das die Ursprungsvariantes des SARS-CoV-2 Spike Protein auf seiner Hülle trägt (VSV-WT). Nur infizierte Zellen (Stern) bilden das fluoreszierende Protein GFP (hellblau). Es konnte damit gezeigt werden, dass neuronale Zellen infiziert werden, aber auch, dass eine Infektion der Zellen keine Voraussetzung für deren Schädigung ist. Dies wurde deutlich durch die Veränderung des Mikrotubuli Zytoskeletts (grün) aller Zellen, nicht nur der infizierten Zellen. Das Aktin System (rot) wurde nicht verändert, die Zellkerne sind in grau dargestellt. Die Abbildung ist unserer Publikation entnommen (siehe Suppl. Fig. 1 in Oliveira et al., 2024) und wird hier in unterschiedlicher Farbgebung gezeigt.

Welche Auswirkungen hat der Kontakt von SARS-CoV-2 Spike Protein auf die Cilien von Nervenzellen?

Primäre Cilien von Nervenzellen werden nach Behandlung mit Spike Proteinen verschiedener SARS-CoV-2 Varianten in unterschiedlicher Anzahl und mit veränderter Länge gefunden (Bild 4).

Bild 4: Fluoreszenz-mikroskopische Aufnahmen von SH-SY5Y Zellen mit dem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop vor (links) und nach (rechts) Behandlung mit dem Spike Protein der Alpha Variante des SARS-CoV-2. Es wurden das acetylierte alpha-Tubulin des Mikrotubuli Zytoskeletts in rot und das Zellantennen Markerprotein ARL13B in grün markiert. Die Aufnahmen entstanden bei gleicher Laserstärke und zeigen, dass Nervenzellantennen bei Kontakt mit Spike Proteinen in ihrer Häufigkeit und Länge verändert werden; die Zellkerne sind in dunkelgrau dargestellt.

Inwieweit zelluläre Proteasen für die Struktur von Nervenzellantennen wichtig sind, untersuchen wir momentan weiter. Hierzu verwenden wir hoch-auflösende, konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie, um fluoreszenzmarkierte Cathepsine und Cilien zu visualisieren. Zur präzisen Vermessung der Architektur von Zellantennen haben wir die
CU Cilia Bildanalyse-Software entwickelt (siehe, Rehders et al., 2025). So konnten wir zeigen, dass Cilien bei bestimmten Zelltypen vor allem von der Aktivität des Cathepsin K Enzyms abhängig sind.

Ist die Aktivität des Cathepsin K Enzyms für Nervenzellantennen wichtig?

Um die Bedeutung des Cathepsin K Enzyms für Cilien besser zu verstehen, verwenden wir momentan differenzierte Nervenzellen in vitro und behandeln sie mit einem spezifischen Cathepsin K Hemmstoff. So kann auch eine seltene Erkrankung, Pyknodysostose, modellhaft in der Zellkultur nachgestellt werden. Dieser Erkrankung liegt ein Verlust oder eine Verminderung der Cathepsin K Aktivität zugrunde; die Patienten weisen eine extrem hohe Knochendichte und kleine Statur auf. Daher und aus unseren früheren Arbeiten wissen wir, dass Cathepsin K nicht nur für den Knochenumbau und die Schilddrüsenfunktion wichtig ist, sondern auch eine Rolle im zentralen Nervensystem für das Gedächtnis hat (siehe, Dauth et al., 2020 und Dauth et al., 2011).

Fazit

Unsere Untersuchungen zeigen, dass Nervenzellen prinzipiell mit SARS-CoV-2 infizierbar sind und dass der Kontakt mit Spike Protein allein ausreicht, um das Transportsystem der Neuronen, die Mikrotubuli, zu schädigen. Zukünftig möchten wir uns mit der Umkehrbarkeit dieser Auswirkungen näher beschäftigen und erwarten weitere wichtige Impulse für die Nervenzellbiologie, die die Neurowissenschaften bereichern werden.

Arbeitsgruppe Brix, Constructor University