Unheimliche Ähnlichkeit einzigartiger Inserts im 2019-nCoV-Spike-Protein mit HIV-1 gp120. und Gag

(1)

Unheimliche Ähnlichkeit einzigartiger Inserts im 2019-nCoV-Spike-Protein mit HIV-1 gp120

und Gag

Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Prashant Pradhan $ 1,2, Ashutosh Kumar Pandey $ 1, Akhilesh Mishra $ 1, Parul Gupta 1, Praveen Kumar Tripathi 1, Manoj Balakrishnan Menon 1, James Gomes 1, Perumal Vivekanandan * 1 und

Balakrishnan Menon 1, James Gomes 1, Perumal Vivekanandan * 1 und Balakrishnan Menon 1, James Gomes 1, Perumal Vivekanandan * 1 und Balakrishnan Menon 1, James Gomes 1, Perumal Vivekanandan * 1 und Balakrishnan Menon 1, James Gomes 1, Perumal Vivekanandan * 1 und Balakrishnan Menon 1, James Gomes 1, Perumal Vivekanandan * 1 und Balakrishnan Menon 1, James Gomes 1, Perumal Vivekanandan * 1 und

Bishwajit Kundu *

¹

Bishwajit Kundu *

¹

1 Kusuma School of Biological Sciences, Indisches Institut für Technologie, New Delhi-110016, Indien.

2

Acharya Narendra Dev College, Universität Delhi, Neu-Delhi-110019, Indien

2

Acharya Narendra Dev College, Universität Delhi, Neu-Delhi-110019, Indien

$

Gleicher Beitrag

$

Gleicher Beitrag

* *Korrespondierende Autoren - E-Mail: bkundu@bioschool.iitd.ac.inKorrespondierende Autoren - E-Mail: bkundu@bioschool.iitd.ac.in

vperumal@bioschool.iitd.ac.in

Abstrakt:

Wir erleben derzeit eine schwere Epidemie, die durch das neuartige Coronavirus 2019 (2019nCoV) verursacht wird. Die Entwicklung von 2019-nCoV bleibt schwer fassbar. Wir fanden 4 Insertionen im Spike-Glykoprotein (S), die für das 2019-nCoV einzigartig sind und in anderen Coronaviren nicht vorhanden sind. Wichtig ist, dass Aminosäurereste in allen 4 Inserts Identität oder Ähnlichkeit mit denen in HIV1 gp120 oder HIV-1 Gag

aufweisen. Interessanterweise deutet die 3D-Modellierung des 2019-nCoV darauf hin, dass die Inserts, obwohl sie in der primären Aminosäuresequenz diskontinuierlich sind, konvergieren, um die Rezeptorbindungsstelle zu bilden. Es ist unwahrscheinlich, dass die Entdeckung von 4 einzigartigen Inserts im 2019-nCoV, die alle Identität / Ähnlichkeit mit Aminosäureresten in wichtigen Strukturproteinen von HIV-1 aufweisen, zufälliger Natur ist.

Einführung

Coronaviren (CoV) sind einzelsträngige Positiv-Sense-RNA-Viren, die Tiere und Menschen infizieren. Diese werden basierend auf ihrer Wirtsspezifität in 4 Gattungen eingeteilt: Alphacoronavirus, Betacoronavirus, Deltacoronavirus und basierend auf ihrer Wirtsspezifität in 4 Gattungen eingeteilt: Alphacoronavirus, Betacoronavirus, Deltacoronavirus und Gammacoronavirus ( Snijder et al., 2006). Es sind sieben Arten von CoVs bekannt, darunter 229E und NL63 (Gattung Gammacoronavirus ( Snijder et al., 2006). Es sind sieben Arten von CoVs bekannt, darunter 229E und NL63 (Gattung Alphacoronavirus), OC43, HKU1, MERS und SARS (Gattung Betacoronavirus). Während 229E, NL63, OC43 und HKU1 häufig Menschen infizieren, trat der SARS- und MERS-Ausbruch in den Jahren 2002 und 2012 auf, als das Virus von Tieren auf Menschen überging und eine signifikante Mortalität verursachte (J. Chan et al., Nd; JF

W. Chan et al., 2015). Im Dezember 2019 wurde ein weiterer Ausbruch des Coronavirus aus Wuhan, China, gemeldet, der auch von Tieren auf Menschen übertragen wurde. Dieses neue Virus wurde von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) (JF-) vorübergehend als 2019-neuartiges Coronavirus (2019-nCoV) bezeichnet.

W. Chan et al., 2020; Zhu et al., 2020). Obwohl es mehrere Hypothesen über den Ursprung von 2019-nCoV gibt, ist die Quelle dieses anhaltenden Ausbruchs noch nicht bekannt.

Die Übertragungsmuster von 2019-nCoV ähneln den Übertragungsmustern, die in den vorherigen Ausbrüchen dokumentiert wurden, unter anderem durch Körper- oder Aerosolkontakt mit mit dem Virus infizierten Personen.

(2)

Fälle von leichter bis schwerer Krankheit und Tod durch die Infektion wurden aus Wuhan gemeldet. Dieser Ausbruch hat schnell entfernte Nationen verbreitet, darunter Frankreich, Australien und die USA. Die Zahl der Fälle innerhalb und außerhalb Chinas nimmt stark zu. Unser derzeitiges Verständnis beschränkt sich auf die Virusgenomsequenzen und bescheidene epidemiologische und klinische Daten. Eine umfassende Analyse der verfügbaren 2019-nCoV-Sequenzen kann wichtige Hinweise liefern, die dazu beitragen können, unser derzeitiges Verständnis für die Bewältigung des anhaltenden Ausbruchs zu verbessern.

Das Spike-Glykoprotein (S) des Cornonavirus wird in zwei Untereinheiten (S1 und S2) gespalten. Die S1-Untereinheit hilft bei der Rezeptorbindung und die S2-Untereinheit erleichtert die Membranfusion (Bosch et al., 2003; Li, 2016). Die Spike-Glykoproteine von Coronoviren sind wichtige Determinanten des Gewebetropismus und des Wirtsbereichs. Darüber hinaus sind die

Spike-Glykoproteine wichtige Ziele für die Impfstoffentwicklung (Du et al., 2013). Aus diesem Grund stellen die Spike-Proteine die am intensivsten untersuchten Coronaviren dar. Wir haben daher versucht, das Spike-Glykoprotein des 2019-nCoV zu untersuchen, um seine Entwicklung, die Sequenz neuer Merkmale und strukturelle Merkmale mithilfe von Rechenwerkzeugen zu verstehen.

Methodik

Abruf und Ausrichtung von Nukleinsäure- und Proteinsequenzen

Wir haben alle verfügbaren Coronavirus-Sequenzen (n = 55) aus der NCBI-Datenbank für virale Genome (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) abgerufen und die GISAID (Elbe & Buckland-Merrett,

2017) [https://www.gisaid.org/], um alle verfügbaren Sequenzen in voller Länge (n = 28) von 2019nCoV zum 27. Januar 2020 abzurufen. Das Mehrfachsequenz-Alignment aller Coronavirus-Genome wurde unter Verwendung der MUSCLE-Software (Edgar) durchgeführt , 2004) basierend auf der Nachbarverbindungsmethode. Von 55 Coronavirus-Genomen wurden 32 repräsentative Genome aller Kategorien für die phylogenetische Baumentwicklung unter Verwendung der MEGAX-Software verwendet (Kumar et al., 2018). Der nächste Verwandte war SARS CoV. Die Glykoproteinregion von SARS CoV und 2019-nCoV wurde ausgerichtet und unter Verwendung von Multalin-Software (Corpet, 1988) visualisiert. Die identifizierten Aminosäure- und Nukleotidsequenzen wurden unter Verwendung von BLASTp und BLASTn mit der gesamten viralen Genomdatenbank abgeglichen. Die Konservierung der Nukleotid- und Aminosäuremotive in 28 klinischen Varianten des 2019-nCoV-Genoms wurde durch Durchführung eines Mehrfachsequenz-Alignments unter Verwendung der MEGAX-Software vorgestellt. Die dreidimensionale Struktur des 2019-nCoV-Glykoproteins wurde unter Verwendung eines SWISS-MODEL-Online-Servers erzeugt (Biasini et al.,

2014) und die Struktur wurde mit PyMol markiert und visualisiert (DeLano, 2002).

Ergebnisse

Unheimliche Ähnlichkeit neuartiger Inserts im 2019-nCoV-Spike-Protein mit HIV-1 gp120 und Gag

Unser phylogenter Baum von Coronaviren voller Länge legt nahe, dass 2019-nCoV eng mit SARS CoV verwandt ist [Abb. 1]. Darüber hinaus haben andere neuere Studien den 2019-nCoV mit SARS CoV verknüpft. Wir haben daher die Spike-Glykoprotein-Sequenzen des 2019-nCoV mit denen des SARS CoV (NCBI-Zugangsnummer: AY390556.1) verglichen. Bei sorgfältiger Untersuchung des Sequenzalignments stellten wir fest, dass das 2019-nCoV-Spike-Glykoprotein 4 Insertionen enthält [Abb. 2]. Um weiter zu untersuchen, ob diese Inserts in einem anderen Coronavirus vorhanden sind, haben wir ein Vielfaches durchgeführt

(3)

Sequenzalignment der Spike-Glykoprotein-Aminosäuresequenzen aller verfügbaren Coronaviren (n = 55) [siehe Tabelle S.Datei1] in NCBI refseq (ncbi.nlm.nih.gov) umfasst eine Sequenz von 2019-nCoV [Abb.S1] . Wir fanden heraus, dass diese 4 Insertionen [Inserts 1, 2, 3 und 4] nur für 2019-nCoV gelten und in anderen analysierten Coronaviren nicht vorhanden sind. Eine andere Gruppe aus China hatte drei Insertionen dokumentiert, in denen weniger Spike-Glykoprotein-Sequenzen von Coronaviren verglichen wurden. Eine andere Gruppe aus China hatte drei Insertionen dokumentiert, in denen weniger Spike-Glykoprotein-Sequenzen von Coronaviren verglichen wurden (Zhou et al., 2020).

Abbildung 1: Die Genealogie mit maximaler Wahrscheinlichkeit zeigt die Entwicklung von 2019-nCoV: Die Evolutionsgeschichte wurde unter Verwendung Abbildung 1: Die Genealogie mit maximaler Wahrscheinlichkeit zeigt die Entwicklung von 2019-nCoV: Die Evolutionsgeschichte wurde unter Verwendung Abbildung 1: Die Genealogie mit maximaler Wahrscheinlichkeit zeigt die Entwicklung von 2019-nCoV: Die Evolutionsgeschichte wurde unter Verwendung Abbildung 1: Die Genealogie mit maximaler Wahrscheinlichkeit zeigt die Entwicklung von 2019-nCoV: Die Evolutionsgeschichte wurde unter Verwendung der Maximum-Likelihood-Methode und des JTT-Matrix-basierten Modells abgeleitet. Der Baum mit der höchsten Protokollwahrscheinlichkeit (12458,88) wird angezeigt. Anfängliche Bäume für die heuristische Suche wurden automatisch erhalten, indem Neighbor-Join- und

BioNJ-Algorithmen auf eine Matrix paarweiser Abstände angewendet wurden, die unter Verwendung eines JTT-Modells geschätzt wurden, und dann die Topologie mit überlegener Log-Wahrscheinlichkeit ausgewählt wurden

(4)

Wert. Diese Analyse umfasste 5 Aminosäuresequenzen. Es gab insgesamt 1387 Positionen im endgültigen Datensatz.

Evolutionsanalysen wurden in MEGA X durchgeführt.

2: Mehrfachsequenz-Alignment zwischen Spike-Proteinen von 2019-nCoV und SARS. Die Sequenzen der Spike-Proteine von 2: Mehrfachsequenz-Alignment zwischen Spike-Proteinen von 2019-nCoV und SARS. Die Sequenzen der Spike-Proteine von 2019-nCoV (Wuhan-HU-1, Accession NC_045512) und von SARS CoV (GZ02, Accession AY390556) wurden unter Verwendung der MultiAlin-Software ausgerichtet. Die Unterschiede werden in Feldern hervorgehoben.

Anschließend analysierten wir alle verfügbaren Sequenzen in voller Länge (n = 28) von 2019-nCoV in GISAID (Elbe &

Buckland-Merrett, 2017) am 27. Januar 2020 auf das Vorhandensein dieser Inserts. Da die meisten dieser Sequenzen nicht annotiert sind, haben wir die Nukleotidsequenzen des Spike-Glykoproteins aller verfügbaren 2019-nCoV-Sequenzen mit BLASTp verglichen.

Interessanterweise waren alle 4 Insertionen in allen verfügbaren analysierten 2019-nCoV-Sequenzen absolut (100%) konserviert [Abb. S2, Abb. S3].

(5)

Wir übersetzten dann das ausgerichtete Genom und stellten fest, dass diese Inserts in allen Wuhan 2019nCoV-Viren mit Ausnahme des 2019-nCoV-Virus von Bat als Wirt vorhanden sind [Abb. S4]. Fasziniert von den 4 hochkonservierten Einsätzen, die nur 2019-nCoV bieten, wollten wir ihre Herkunft verstehen. Zu diesem Zweck verwendeten wir das lokale Alignment 2019-nCoV mit jedem Insert als Abfrage für alle Virusgenome und betrachteten Treffer mit 100% Sequenzabdeckung. Überraschenderweise stimmte jedes der vier Inserts mit kurzen Segmenten der Proteine des humanen Immundefizienzvirus-1 (HIV-1) überein. Die

Aminosäurepositionen der Inserts in 2019-nCoV und die entsprechenden Reste in HIV-1 gp120 und HIV-1 Gag sind in Tabelle 1 gezeigt. Die ersten 3 Inserts (Insert 1,2 und 3) sind auf kurze Aminosäuresegmente ausgerichtet Rückstände in HIV-1 gp120. Das Insert 4 ist auf HIV-1 Gag ausgerichtet. Das Insert 1 (6 Aminosäurereste) und das Insert 2 (6 Aminosäurereste) im

Spike-Glykoprotein von 2019-nCoV sind zu 100% identisch mit den auf HIV-1 gp120 abgebildeten Resten. Das Insert 3 (12 Aminosäurereste) in 2019nCoV ist mit Lücken auf HIV-1 gp120 abgebildet [siehe Tabelle 1]. Das Insert 4 (8 Aminosäurereste) ist mit Lücken auf HIV-1 Gag abgebildet.

Obwohl die 4 Inserts nicht zusammenhängende kurze Abschnitte von Aminosäuren im Spike-Glykoprotein von 2019-nCoV darstellen, teilen alle drei die Aminosäureidentität oder -ähnlichkeit mit HIV-1 gp120 und HIV-1 Gag (unter allen annotierten Virusproteinen). legt nahe, dass dies kein zufälliger zufälliger Befund ist. Mit anderen Worten, man kann sporadisch eine zufällige Übereinstimmung für eine Strecke von 6-12 zusammenhängenden Aminosäureresten in einem nicht verwandten Protein erwarten. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass alle 4 Inserts im 2019-nCoV-Spike-Glykoprotein zufällig mit 2 Schlüsselstrukturproteinen eines nicht verwandten Virus (HIV-1) übereinstimmen.

Die Aminosäurereste der Inserts 1, 2 und 3 des 2019-nCoV-Spike-Glykoproteins, die auf HIV-1 abgebildet wurden, waren Teil der V4-, V5- und V1-Domänen in gp120 [Tabelle 1]. Da die 2019nCoV-Inserts auf variable Regionen von HIV-1 abgebildet wurden, waren sie in HIV-1 gp120 nicht allgegenwärtig, sondern auf ausgewählte Sequenzen von HIV-1 [siehe S.File1] beschränkt, hauptsächlich aus Asien und Afrika.

Das HIV-1-Gag-Protein ermöglicht die Interaktion des Virus mit der negativ geladenen Wirtsoberfläche (Murakami, 2008), und eine hohe positive Ladung des Gag-Proteins ist ein Schlüsselmerkmal für die Interaktion zwischen Wirt und Virus. Bei der Analyse der pI-Werte für jedes der 4 Inserts in 2019-nCoV und der entsprechenden Abschnitte von Aminosäureresten von HIV-1-Proteinen stellten wir fest, dass a) die pI-Werte für jedes analysierte Paar sehr ähnlich waren, b) die meisten dieser pI-Werte waren 10 ± 2 [siehe Tabelle 1]. Bemerkenswert ist, dass trotz der Lücken in den Einsätzen 3 und 4 die pI-Werte vergleichbar waren. Diese Gleichmäßigkeit der pI-Werte für alle 4 Inserts verdient weitere Untersuchungen.

Da keines dieser 4 Inserts in einem anderen Coronavirus vorhanden ist, stellt die diese Inserts codierende Genomregion ideale Kandidaten für das Design von Primern dar, die 2019-nCoV von anderen Coronaviren unterscheiden können.

(6)

Motive Virus

Glycoprotein Motivausrichtung

HIV-Protein und variable Region

Land der HIV-Genomquelle /

Subtyp

Anzahl der polaren Rückstände

Gesamtkosten pI Wert e

Einfügen 1

2019-nCoV (GP) HIV1 (GP120)

71 76

TNGTKR TNGTKR 404 409

gp120V4

Thailand CRF01_ * /

AE ⁵₅ ²₂ ¹¹₁₁

Einfügen 2

145 150 HKNNKS HKNNKS 462 467

gp120V5 Kenia*/

G

6 6

2 2

10 10

Einfügen 3

245 256

RSYL --- TPGDSSSG RTYL FNE RSYL --- TPGDSSSG RTYL FNE TRGNSSSG

136 150

gp120V1

Indien * / C. 8 10

2 1

10.84 8,75

Einfügen 4

2019-nCoV (Poly P) HIV1 (Knebel)

676 684

QTNS --- PRRA QTNS SILMQRSNFKG QTNS --- PRRA QTNS SILMQRSNFKG PRRA

366 384

Gag Indien * / C. 6

12

2 4

12.00 Uhr 12.30 Uhr

Tabelle 1: Ausgerichtete Sequenzen von 2019-nCoV und gp120-Protein von HIV-1 mit ihren Positionen in der primären Proteinsequenz. Alle Einsätze weisen eine hohe Dichte an positiv geladenen Rückständen auf. Die deletierten Fragmente in Insert 3 und 4 erhöhen das Verhältnis von positiver Ladung zu Oberfläche. * siehe Supp. Tabelle 1 für Zugangsnummern

Die neuen Inserts sind Teil der Rezeptorbindungsstelle von 2019-nCoV

Um strukturelle Einblicke zu erhalten und die Rolle dieser Insertionen im 2019-nCoV-Glykoprotein zu verstehen, haben wir seine Struktur basierend auf der verfügbaren Struktur des SARS-Spike-Glykoproteins (PDB: 6ACD.1.A) modelliert. Der Vergleich der modellierten Struktur zeigt, dass sich die Inserts 1,2 und 3 zwar an nicht zusammenhängenden Stellen in der Proteinprimärsequenz befinden, sich jedoch falten, um den Teil der Glykoprotein-Bindungsstelle zu bilden, der den Wirtsrezeptor erkennt (Kirchdoerfer et al., 2016). (Figur 4).

Das Insert 1 entspricht der NTD (N-terminale Domäne) und die Inserts 2 und 3 entsprechen der CTD

(C-terminale Domäne) der S1-Untereinheit im 2019-nCoV-Spike-Glykoprotein. Das Insert 4 befindet sich an der

Verbindungsstelle von SD1 (Subdomäne 1) und SD2 (Subdomäne 2) der S1-Untereinheit (Ou et al., 2017). Wir

spekulieren,

(7)

Abbildung 3. Modelliertes Homo-Trimer-Spike-Glykoprotein des 2019-nCoV-Virus. Die Inserts aus dem HIV-Hüllprotein sind mit farbigen Abbildung 3. Modelliertes Homo-Trimer-Spike-Glykoprotein des 2019-nCoV-Virus. Die Inserts aus dem HIV-Hüllprotein sind mit farbigen Kügelchen gezeigt, die an der Bindungsstelle des Proteins vorhanden sind.

Evolutionsanalyse von 2019-nCoV

Es wurde spekuliert, dass 2019-nCoV eine Variante des Coronavirus ist, die aus einer tierischen Quelle stammt, die auf den Menschen übertragen wurde. In Anbetracht der Änderung der Spezifität für den Wirt beschlossen wir, die Sequenzen des Spike-Glykoproteins (S-Protein) des Virus zu untersuchen. S-Proteine sind Oberflächenproteine, die dem Virus bei der Erkennung und Bindung des Wirts helfen.

Somit kann eine Änderung dieser Proteine als eine Änderung der Wirtsspezifität des Virus widergespiegelt werden. Um die Veränderungen im S-Protein-Gen von 2019-nCoV und seine Konsequenzen für strukturelle Umordnungen zu kennen, haben wir durchgeführt in-sillico Analyse S-Protein-Gen von 2019-nCoV und seine Konsequenzen für strukturelle Umordnungen zu kennen, haben wir durchgeführt in-sillico Analyse S-Protein-Gen von 2019-nCoV und seine Konsequenzen für strukturelle Umordnungen zu kennen, haben wir durchgeführt in-sillico Analyse von 2019-nCoV in Bezug auf alle anderen Viren. Ein Mehrfachsequenz-Alignment zwischen den S-Protein-Aminosäuresequenzen von 2019-nCoV, Bat-SARS-Like, SARS-GZ02 und MERS ergab, dass sich das S-Protein mit der größten signifikanten Diversität gegenüber dem SARS-GZ02 entwickelt hat (Abbildung 1).

Insertionen in die Spike-Proteinregion von 2019-nCoV

Da das S-Protein von 2019-nCoV die engste Abstammung mit SARS GZ02 aufweist, wurde die Sequenz, die für Spike-Proteine

dieser beiden Viren kodiert, mit der MultiAlin-Software verglichen. Wir fanden vier neue Insertionen im Protein von 2019-nCoV-

„GTNGTKR“ (IS1), „HKNNKS“ (IS2), „GDSSSG“ (IS3) und „QTNSPRRA“ (IS4) (Abbildung 2). Zu unserer Überraschung fehlten diese Sequenzinsertionen nicht nur im S-Protein von SARS, sondern wurden auch bei keinem anderen Mitglied der SARS beobachtet Coronaviridae Sequenzinsertionen nicht nur im S-Protein von SARS, sondern wurden auch bei keinem anderen Mitglied der SARS beobachtet Coronaviridae

Familie (ergänzende Abbildung). Dies ist verblüffend, da es ziemlich unwahrscheinlich ist, dass ein Virus in kurzer Zeit auf natürliche Weise solche einzigartigen Insertionen erworben hat.

(8)

Insertionen haben Ähnlichkeit mit HIV

Es wurde beobachtet, dass die Insertionen in allen genomischen Sequenzen des 2019-nCoV-Virus vorhanden waren, die aus den jüngsten klinischen Isolaten erhältlich waren (ergänzende Abbildung 1). Um die Quelle dieser Insertionen in 2019-nCoV zu kennen, wurde eine lokale Ausrichtung mit BLASTp durchgeführt, wobei diese Insertionen als Abfrage für das gesamte Virusgenom verwendet wurden. Unerwarteterweise wurden alle Insertionen mit dem humanen Immundefizienzvirus-1 (HIV-1) abgeglichen. Weitere Analysen ergaben, dass ausgerichtete Sequenzen von HIV-1 mit 2019-nCoV vom Oberflächenglykoprotein gp120 abgeleitet wurden (Aminosäuresequenzpositionen: 404-409, 462-467, 136-).

150) und aus Gag-Protein (366-384 Aminosäure) (Tabelle 1). Das Gag-Protein von HIV ist an der Bindung der Wirtsmembran, der Verpackung 150) und aus Gag-Protein (366-384 Aminosäure) (Tabelle 1). Das Gag-Protein von HIV ist an der Bindung der Wirtsmembran, der Verpackung des Virus und der Bildung virusähnlicher Partikel beteiligt. Gp120 spielt eine entscheidende Rolle bei der Erkennung der Wirtszelle durch Bindung des Virus und der Bildung virusähnlicher Partikel beteiligt. Gp120 spielt eine entscheidende Rolle bei der Erkennung der Wirtszelle durch Bindung des Virus und der Bildung virusähnlicher Partikel beteiligt. Gp120 spielt eine entscheidende Rolle bei der Erkennung der Wirtszelle durch Bindung an den Primärrezeptor CD4. Diese Bindung induziert strukturelle Umlagerungen in GP120, wodurch eine Bindungsstelle mit hoher Affinität für einen Chemokin-Co-Rezeptor wie CXCR4 und / oder CCR5 erzeugt wird.

Diskussion

Der derzeitige Ausbruch von 2019-nCoV erfordert eine gründliche Untersuchung und ein Verständnis seiner Fähigkeit, Menschen zu infizieren.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sich die Präferenz des Wirts gegenüber früheren Coronaviren gegenüber diesem Virus deutlich geändert hat, haben wir die Änderung des Spike-Proteins zwischen 2019-nCoV und anderen Viren untersucht. Wir fanden vier neue Insertionen im S-Protein von 2019-nCoV im Vergleich zu seinem nächsten Verwandten, SARS CoV. Die Genomsequenz der letzten 28 klinischen Isolate zeigte, dass die für diese Insertionen kodierende Sequenz unter all diesen Isolaten konserviert ist. Dies weist darauf hin, dass diese Insertionen vorzugsweise vom 2019-nCoV erworben wurden, was ihm einen zusätzlichen Überlebens- und Infektiositätsvorteil verschafft. Bei näherer Betrachtung stellten wir fest, dass diese Insertionen HIV-1 ähnlich waren. Unsere Ergebnisse zeigen eine erstaunliche Beziehung zwischen dem gp120- und dem Gag-Protein von HIV mit dem 2019-nCoV-Spike-Glykoprotein. Diese Proteine sind entscheidend für die Identifizierung und Bindung der Viren an ihre Wirtszellen und für die Virusassemblierung (Beniac et al., 2006). Da Oberflächenproteine für den Tropismus des Wirts verantwortlich sind, implizieren Änderungen dieser Proteine eine Änderung der Wirtsspezifität des Virus. Berichten aus China zufolge hat die Wirtsspezifität im Fall 2019-nCoV zugenommen, da das Virus ursprünglich Tiere und nicht Menschen infizierte, aber nach den Mutationen auch beim Menschen Tropismus erlangt hat. Da Oberflächenproteine für den Tropismus des Wirts verantwortlich sind, implizieren Änderungen dieser Proteine eine Änderung der Wirtsspezifität des Virus. Berichten aus China zufolge hat die Wirtsspezifität im Fall 2019-nCoV zugenommen, da das Virus ursprünglich Tiere und nicht Menschen infizierte, aber nach den Mutationen auch beim Menschen Tropismus erlangt hat. Da Oberflächenproteine für den Tropismus des

Wirts verantwortlich sind, implizieren Änderungen dieser Proteine eine Änderung der Wirtsspezifität des Virus. Berichten aus China zufolge hat die Wirtsspezifität im Fall 2019-nCoV zugenommen, da das Virus ursprünglich Tiere und nicht Menschen infizierte, aber nach den Mutationen auch beim Menschen Tropismus erlangt hat.

Die 3D-Modellierung der Proteinstruktur zeigte, dass diese Insertionen an der Bindungsstelle von 2019-nCoV vorhanden sind. Aufgrund des Vorhandenseins von gp120-Motiven in 2019-nCoV-Spike-Glykoprotein an seiner Bindungsdomäne schlagen wir vor, dass diese Motivinsertionen eine erhöhte Affinität zu Wirtszellrezeptoren bereitgestellt haben könnten. Darüber hinaus könnte diese

Strukturänderung auch den Bereich der Wirtszellen vergrößert haben, die 2019-nCoV infizieren kann. Nach unserem Kenntnisstand ist die Funktion dieser Motive bei HIV noch nicht klar und muss untersucht werden. Der Austausch von genetischem Material zwischen den Viren ist bekannt, und ein derartiger kritischer Austausch unterstreicht das Risiko und die Notwendigkeit, die Beziehungen zwischen scheinbar nicht verwandten Virusfamilien zu untersuchen.

Schlussfolgerungen

Unsere Analyse des Spike-Glykoproteins von 2019-nCoV ergab mehrere interessante Ergebnisse: Zunächst identifizierten wir 4

einzigartige Inserts im 2019-nCoV-Spike-Glykoprotein, die in keinem anderen bisher gemeldeten Coronavirus vorhanden sind. Zu unserer Überraschung wurden alle 4 Einsätze im 2019-nCoV zugeordnet

(9)

kurze Segmente von Aminosäuren in HIV-1 gp120 und Gag unter allen annotierten Virusproteinen in der NCBI-Datenbank. Es ist unwahrscheinlich, dass diese unheimliche Ähnlichkeit neuartiger Inserts im nCoV-Spike-Protein 2019 mit HIV-1 gp120 und Gag zufällig ist.

Ferner legt die 3D-Modellierung nahe, dass mindestens 3 der einzigartigen Inserts, die in der primären Proteinsequenz des

2019-nCoV-Spike-Glykoproteins nicht zusammenhängend sind, konvergieren, um die Schlüsselkomponenten der Rezeptorbindungsstelle zu bilden. Bemerkenswerterweise haben alle 4 Inserts pI-Werte von etwa 10, was die Interaktion zwischen Virus und Wirt erleichtern kann.

Zusammengenommen deuten unsere Ergebnisse auf eine unkonventionelle Entwicklung von 2019-nCoV hin, die weitere Untersuchungen erfordert. Unsere Arbeit beleuchtet neue evolutionäre Aspekte des 2019-nCoV und hat Auswirkungen auf die Pathogenese und Diagnose dieses Virus.

Verweise

Beniac, DR, Andonov, A., Grudeski, E. & Booth, TF (2006). Architektur des SARS

Coronavirus-Präfusionsspitze. Naturstruktur- und Molekularbiologie, 13 ( 8), 751–752. https://doi.org/10.1038/nsmb1123 Coronavirus-Präfusionsspitze. Naturstruktur- und Molekularbiologie, 13 ( 8), 751–752. https://doi.org/10.1038/nsmb1123 Coronavirus-Präfusionsspitze. Naturstruktur- und Molekularbiologie, 13 ( 8), 751–752. https://doi.org/10.1038/nsmb1123

M. Biasini, S. Bienert, A. Waterhouse, K. Arnold, G. Studer, T. Schmidt, F. Kiefer,

Cassarino, TG, Bertoni, M., Bordoli, L. & Schwede, T. (2014). SWISS-MODELL: Modellierung der tertiären und quaternären Struktur von Proteinen mithilfe von Evolutionsinformationen.

Nukleinsäureforschung. https://doi.org/10.1093/nar/gku340 Nukleinsäureforschung. https://doi.org/10.1093/nar/gku340

BJ Bosch, R. van der Zee, CAM de Haan & PJM Rottier (2003). Das Coronavirus

Spike-Protein ist ein Klasse-I-Virus-Fusionsprotein: Strukturelle und funktionelle Charakterisierung des

Fusionskernkomplexes. Journal of Virology, 77 ( 16), 8801–8811. https://doi.org/10.1128/jvi.77.16.8801-8811.2003 Fusionskernkomplexes. Journal of Virology, 77 ( 16), 8801–8811. https://doi.org/10.1128/jvi.77.16.8801-8811.2003 Fusionskernkomplexes. Journal of Virology, 77 ( 16), 8801–8811. https://doi.org/10.1128/jvi.77.16.8801-8811.2003

Chan, JF-W., Kok, K.-H., Zhu, Z., Chu, H., To, KK-W., Yuan, S. & Yuen, K.-Y. (2020). Genomisch

Charakterisierung des 2019 neuartigen humanpathogenen Coronavirus, das nach einem Besuch in Wuhan aus einem Patienten mit atypischer Lungenentzündung isoliert wurde. Neue Mikroben und Infektionen, 9 ( 1), 221–236.

Patienten mit atypischer Lungenentzündung isoliert wurde. Neue Mikroben und Infektionen, 9 ( 1), 221–236.

https://doi.org/10.1080/22221751.2020.1719902

Chan, JFW, Lau, SKP, To, KKW, Cheng, VCC, Woo, PCY und Yuen, K.-Y. (2015). Mittlerer Osten Chan, JFW, Lau, SKP, To, KKW, Cheng, VCC, Woo, PCY und Yuen, K.-Y. (2015). Mittlerer Osten

Respiratory Syndrome Coronavirus: Ein weiteres zoonotisches Betacoronavirus, das eine SARS-ähnliche Krankheit verursacht. https://doi.org/10.1128/CMR.00102-14 Respiratory Syndrome Coronavirus: Ein weiteres zoonotisches Betacoronavirus, das eine SARS-ähnliche Krankheit verursacht. https://doi.org/10.1128/CMR.00102-14

Chan, J., To, K., Tse, H., Jin, D., Mikrobiologie, KY-T. in, & 2013, undefiniert. (nd).

Übertragung und Entstehung neuartiger Viren zwischen Spezies: Lehren aus Fledermäusen und Vögeln. Elsevier.

Corpet, F. (1988). Mehrfachsequenzausrichtung mit hierarchischem Clustering. Nukleinsäuren Corpet, F. (1988). Mehrfachsequenzausrichtung mit hierarchischem Clustering. Nukleinsäuren

Forschung. https://doi.org/10.1093/nar/16.22.10881 Forschung. https://doi.org/10.1093/nar/16.22.10881

DeLano, WL (2002). Das PyMOL Molecular Graphics System, Version 1.1.

Schr {ö} dinger LLC. https://doi.org/10.1038/hr.2014.17 Schr {ö} dinger LLC. https://doi.org/10.1038/hr.2014.17

Du, L., Zhao, G., Kou, Z., Ma, C., Sun, S., Poon, VKM, Lu, L., Wang, L., Debnath, AK,

B.-J. Zheng, Y. Zhou & S. Jiang (2013). Identifizierung einer Rezeptorbindungsdomäne im S-Protein des neuartigen Coronavirus des menschlichen Coronavirus-Atmungssyndroms im Nahen Osten als wesentliches Ziel für die Impfstoffentwicklung. Journal of Virology, 87 ( 17), 9939–9942. https://doi.org/10.1128/jvi.01048-13

Impfstoffentwicklung. Journal of Virology, 87 ( 17), 9939–9942. https://doi.org/10.1128/jvi.01048-13 Impfstoffentwicklung. Journal of Virology, 87 ( 17), 9939–9942. https://doi.org/10.1128/jvi.01048-13

(10)

Edgar, RC (2004). MUSKEL: Mehrfachsequenzausrichtung mit hoher Genauigkeit und hohem Durchsatz.

Nukleinsäureforschung. https://doi.org/10.1093/nar/gkh340 Nukleinsäureforschung. https://doi.org/10.1093/nar/gkh340

Elbe, S. & Buckland-Merrett, G. (2017). Daten, Krankheit und Diplomatie: GISAID ist innovativ Beitrag zur globalen Gesundheit. Globale Herausforderungen. https://doi.org/10.1002/gch2.1018 Beitrag zur globalen Gesundheit. Globale Herausforderungen. https://doi.org/10.1002/gch2.1018 Beitrag zur globalen Gesundheit. Globale Herausforderungen. https://doi.org/10.1002/gch2.1018 RN Kirchdoerfer, CA Cottrell, N. Wang, J. Pallesen, HM Yassine, HL Turner,

Corbett, KS, Graham, BS, McLellan, JS & Ward, AB (2016). Vorfusionsstruktur eines humanen Coronavirus-Spike-Proteins. Natur.

Coronavirus-Spike-Proteins. Natur.

https://doi.org/10.1038/nature17200

Kumar, S., Stecher, G., Li, M., Knyaz, C. & Tamura, K. (2018). MEGA X: Molekular

Evolutionsgenetische Analyse über Computerplattformen hinweg. Molekularbiologie und Evolution. https://doi.org/10.1093/molbev/msy096 Evolutionsgenetische Analyse über Computerplattformen hinweg. Molekularbiologie und Evolution. https://doi.org/10.1093/molbev/msy096 Evolutionsgenetische Analyse über Computerplattformen hinweg. Molekularbiologie und Evolution. https://doi.org/10.1093/molbev/msy096

Li, F. (2016). Struktur, Funktion und Entwicklung von Coronavirus-Spike-Proteinen. Jährlich Li, F. (2016). Struktur, Funktion und Entwicklung von Coronavirus-Spike-Proteinen. Jährlich

Überprüfung der Virologie, 3 ( 1), 237–261. https://doi.org/10.1146/annurev-virology110615-042301 Überprüfung der Virologie, 3 ( 1), 237–261. https://doi.org/10.1146/annurev-virology110615-042301

Murakami, T. (2008). Rollen der Wechselwirkungen zwischen Env- und Gag-Proteinen im HIV-1 Replikationszyklus. Mikrobiologie und Immunologie, 52 ( 5), 287–295.

Replikationszyklus. Mikrobiologie und Immunologie, 52 ( 5), 287–295.

https://doi.org/10.1111/j.1348- 0421.2008.00008.x

Ou, X., Guan, H., Qin, B., Mu, Z., Wojdyla, JA, Wang, M., Dominguez, SR, Qian, Z. & Cui, S. (2017).

Kristallstruktur der Rezeptorbindungsdomäne des Spike-Glykoproteins des humanen Betacoronavirus HKU1. Naturkommunikation.

HKU1. Naturkommunikation.

https://doi.org/10.1038/ncomms15216

Snijder, EJ, van der Meer, Y., Zevenhoven-Dobbe, J., Onderwater, JJM, van der Meulen, J., Koerten, HK & Mommaas, AM (2006). Ultrastruktur und Ursprung von Membranvesikeln, die mit dem Coronavirus-Replikationskomplex des schweren akuten respiratorischen Syndroms assoziiert sind.

Journal of Virology, 80 ( 12), 5927–5940. https://doi.org/10.1128/JVI.02501-05 Journal of Virology, 80 ( 12), 5927–5940. https://doi.org/10.1128/JVI.02501-05

Zhou, P., Yang, X.-L., Wang, X.-G., Hu, B., Zhang, L., Zhang, W., Si, H.-R., Zhu, Y., Li B., Huang, C.-L., Chen, H.-D., Chen, J., Luo, Y., Guo, H., Jiang, R.-D., Liu, M.-Q., Chen, Y., Shen, X.-R., Wang, X.,… Shi, Z.-L.

(2020). Entdeckung eines neuartigen Coronavirus im Zusammenhang mit dem jüngsten Ausbruch einer Lungenentzündung beim Menschen und seiner möglichen Fledermausherkunft. BioRxiv.

und seiner möglichen Fledermausherkunft. BioRxiv.

https://doi.org/10.1101/2020.01.22.914952

Zhu, N., Zhang, D., Wang, W., Li, X., Yang, B., Song, J., Zhao, X., Huang, B., Shi, W., Lu, R.,

Niu, P., Zhan, F., Ma, X., Wang, D., Xu, W., Wu, G., Gao, GF & Tan, W. (2020). Ein neuartiges Coronavirus von Patienten mit Lungenentzündung in China, 2019. New England Journal of Medicine, NEJMoa2001017.

Lungenentzündung in China, 2019. New England Journal of Medicine, NEJMoa2001017.

https://doi.org/10.1056/NEJMoa2001017

(11)

Fig. S1 Mehrfachsequenz-Alignment von Glykoprotein von

Coronaviridae

Familie, die alle vier Beilagen darstellt.

Coronaviridae

(12)

Fig. S2: Alle vier Inserts sind in den ausgerichteten 28 Wuhan 2019-nCoV-Virusgenomen vorhanden, die von GISAID erhalten wurden. Die Lücke im Bat-SARS Like CoV in der letzten Reihe zeigt, dass Insert 1 und 4 für Wuhan 2019-nCoV sehr einzigartig sind.

(13)

Fig. S3 Phylogenetischer Baum von 28 klinischen Isolaten Genom von 2019-nCoV, einschließlich eines von Fledermaus als Wirt.

(14)

Ergänzende Abb. 4. Genom-Alingment der Coronaviridae-Familie. Hervorgehobene schwarze Sequenzen sind die hier dargestellten Einfügungen.