Identifizierung der Mechanismen der Attenuierung von Viren durch Kodonpaar-Deoptimierung

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Michael Veit, seit 7/2020
• Fachliche Zuordnung: Virologie ; Tiermedizin
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424925074

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Codon-Paar-Deoptimierung (CPD) ist eine vielversprechende Technik zur schnellen Entwicklung sicherer und wirksamer attenuierter Lebendimpfstoffe. Diese Methode beinhaltet präzise Änderungen an viralen Genomen, ohne die Aminosäuresequenzen der kodierten Proteine zu verändern, was zu abgeschwächten Viren führt, die ähnliche Immunantworten wie die ursprünglichen Pathogene hervorrufen. CPD funktioniert durch den Austausch ursprünglicher Genomsegmente gegen rekodierte Segmente, die eine erhöhte Anzahl statistisch unterrepräsentierter Codon-Paare im Genom des Viruswirts enthalten. Es wird angenommen, dass diese unterrepräsentierten Paare die virale Proteinproduktion verlangsamen und so die Virusfitness beeinflussen. Allerdings erhöht CPD unbeabsichtigt auch CpG-Dinukleotide in rekodierten Sequenzen, und es war unklar, ob die Abschwächung auf die Zunahme unterrepräsentierter Codon-Paare, CpG- Dinukleotide oder andere Faktoren zurückzuführen ist. Unter Verwendung des Influenza-A-Virus als Modell generierten wir Virusmutanten mit unterschiedlich rekodierten genetischen Segmenten, die für Neuraminidase kodieren, ein für die Virusausbreitung entscheidendes Enzym. Unsere Forschung ergab, dass suboptimale Codon-Paare hauptsächlich für die verringerte Replikationsfitness des Virus verantwortlich waren, während CpG-Dinukleotide keine signifikante Rolle bei der Abschwächung spielten. Wir entdeckten, dass suboptimale Codon-Paare die Stabilität der viralen RNA und die Translationseffizienz der mRNA reduzieren, was zu einer verringerten Proteinproduktion und beeinträchtigter Virusreplikation führt. Diese Erkenntnisse bestätigen, dass CPD zuverlässig zur Entwicklung sicherer und wirksamerer Impfstoffe eingesetzt werden kann. Darüber hinaus eröffnet das Verständnis, wie Codon-Paare die mRNA-Stabilität und Proteinproduktion beeinflussen, neue Möglichkeiten in der Biotechnologie. Die Manipulation der Codon-Paar-Bias könnte entweder zur Verringerung der mRNA-Stabilität und Proteinproduktion für die Virusabschwächung oder zur Verbesserung dieser Prozesse für Anwendungen wie die mRNA-Impfstoffproduktion eingesetzt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Mechanism of Virus Attenuation by Codon Pair Deoptimization. Cell Reports, 31(4), 107586.
  Groenke, Nicole; Trimpert, Jakob; Merz, Sophie; Conradie, Andelé M.; Wyler, Emanuel; Zhang, Hongwei; Hazapis, Orsalia-Georgia; Rausch, Sebastian; Landthaler, Markus; Osterrieder, Nikolaus & Kunec, Dusan
  
• Development of safe and highly protective live-attenuated SARS-CoV-2 vaccine candidates by genome recoding. Cell Reports, 36(5), 109493.
  Trimpert, Jakob; Dietert, Kristina; Firsching, Theresa C.; Ebert, Nadine; Thi, Nhu Thao Tran; Vladimirova, Daria; Kaufer, Susanne; Labroussaa, Fabien; Abdelgawad, Azza; Conradie, Andelé; Höfler, Thomas; Adler, Julia M.; Bertzbach, Luca D.; Jores, Joerg; Gruber, Achim D.; Thiel, Volker; Osterrieder, Nikolaus & Kunec, Dusan
  
• Live attenuated virus vaccine protects against SARS-CoV-2 variants of concern B.1.1.7 (Alpha) and B.1.351 (Beta). Science Advances, 7(49).
  Trimpert, Jakob; Adler, Julia M.; Eschke, Kathrin; Abdelgawad, Azza; Firsching, Theresa C.; Ebert, Nadine; Thao, Tran Thi Nhu; Gruber, Achim D.; Thiel, Volker; Osterrieder, Nikolaus & Kunec, Dusan
  
• Synthetically recoded virus sCPD9 – A tool to accelerate SARS-CoV-2 research under biosafety level 2 conditions. Computational and Structural Biotechnology Journal, 20, 4376-4380.
  Kunec, Dusan; Osterrieder, Nikolaus & Trimpert, Jakob
  
• A non-transmissible live attenuated SARS-CoV-2 vaccine. Molecular Therapy, 31(8), 2391-2407.
  Adler, Julia M.; Martin, Vidal Ricardo; Voß, Anne; Kunder, Sandra; Nascimento, Mariana; Abdelgawad, Azza; Langner, Christine; Vladimirova, Daria; Osterrieder, Nikolaus; Gruber, Achim D.; Kunec, Dusan & Trimpert, Jakob
  
• Live-attenuated vaccine sCPD9 elicits superior mucosal and systemic immunity to SARS-CoV-2 variants in hamsters. Nature Microbiology, 8(5), 860-874.
  Nouailles, Geraldine; Adler, Julia M.; Pennitz, Peter; Peidli, Stefan; Teixeira, Alves Luiz Gustavo; Baumgardt, Morris; Bushe, Judith; Voss, Anne; Langenhagen, Alina; Langner, Christine; Martin, Vidal Ricardo; Pott, Fabian; Kazmierski, Julia; Ebenig, Aileen; Lange, Mona V.; Mühlebach, Michael D.; Goekeri, Cengiz; Simmons, Szandor; Xing, Na ... & Trimpert, Jakob
  
• An intranasal live-attenuated SARS-CoV-2 vaccine limits virus transmission. Nature Communications, 15(1).
  Adler, Julia M.; Martin, Vidal Ricardo; Langner, Christine; Vladimirova, Daria; Abdelgawad, Azza; Kunecova, Daniela; Lin, Xiaoyuan; Nouailles, Geraldine; Voss, Anne; Kunder, Sandra; Gruber, Achim D.; Wu, Haibo; Osterrieder, Nikolaus; Kunec, Dusan & Trimpert, Jakob