Untersuchung von zirkulären RNAs als Mediatoren der SARS-CoV-2-Infektion im kardiovaskulären System
Projektleiter: Prof. Dr. Thomas Thum
Schlüsselbereich
- Pathophysiologie: Immunmodulation und -kontrolle
Wer war beteiligt?
- Prof. Dr. Thomas Thum (Projektleiter, MHH)
- Prof. Dr. Ulrich Kalinke (TWINCORE)
Was war das Ziel?
Das humane Transkriptom setzt sich zum überwiegenden Teil aus RNA-Transkripten zusammen, welche im Gegensatz zu Boten-RNAs (mRNAs) nicht in Proteine übersetzt werden. Diese sogenannten nicht-kodierenden RNAs werden zunehmend als essenzielle strukturelle und funktionelle Moleküle erkannt, welche an der Entstehung und Regulation von nicht-übertragbaren Erkrankungen, aber auch von Infektionserkrankungen maßgeblich beteiligt sind. In diesem Projekt soll die Rolle der zirkulären, d.h. ringförmig geschlossenen, funktionellen RNA-Moleküle, im Kontext der SARS-CoV-2-Infektion und Propagation im kardiovaskulären System charakterisiert werden. Unsere Vorarbeiten haben bereits gezeigt, dass die Expression zirkulärer RNAs in humanen Herzmuskelzellen nach einer SARS-CoV-2-Infektion einer starken Veränderung unterliegt, während die gezielte Manipulation spezifischer zirkulärer RNAs die SARS-CoV-2-Infektion oder -Replikation im Zellkultursystem unterdrücken kann. In weiterführenden Arbeiten sollen nun die molekularen Mechanismen hierfür detailliert aufgeklärt werden. Darüber hinaus soll unter Einbindung der COFONI-Technologieplattformen, eine zirkuläre RNA-basierte COVID-19-Therapie in verschiedenen relevanten prä-klinischen Modellen getestet werden.
Das wurde erreicht:
COVID-19 bleibt ein bedeutendes globales Gesundheitsproblem, und die Häufigkeit von Langzeit-COVID-Symptomen nimmt zu. Trotz der Verfügbarkeit von Impfstoffen, die eine schwere akute respiratorische Syndrom (SARS) durch das Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) effektiv verhindern, fehlen nach wie vor wirksame Behandlungen, sobald eine Infektion eingetreten ist. Besonders auffällig ist, dass eine erhöhte Expression des SARS-CoV-2-Eintrittsrezeptors, des Angiotensin-konvertierenden Enzyms 2 (ACE2), auf Herzzellen bei Herzpatienten deren Anfälligkeit für SARS-CoV-2 erhöht. Das Transkriptom des Menschen besteht überwiegend aus nicht-kodierenden RNA (ncRNA)-Transkripten, die nicht in Proteine übersetzt werden. Diese ncRNAs gelten heute als essenzielle und funktionale Moleküle, die für die Entwicklung und die Regulation sowohl nicht-übertragbarer Krankheiten als auch Infektionskrankheiten entscheidend sein können. In diesem Projekt untersuchten wir einen spezifischen Subtyp von ncRNAs, nämlich kovalent geschlossene, zirkuläre RNA (circRNA)-Moleküle, im Kontext der SARS-CoV-2-Infektion und -verbreitung im kardiovaskulären System. Dazu infizierten wir humane induzierte pluripotente Stammzell-abgeleitete Kardiomyozyten (hiPSC-CMs) mit SARS-CoV-2-Partikeln und führten eine RNA-Sequenzierung durch, gefolgt von einer detaillierten bioinformatischen Analyse zur Identifikation von circRNAs, die nach einer SARS-CoV-2-Infektion in hiPSC-CMs signifikant erhöht sind. Wir validierten diese Kandidaten durch eine Infektzeitlinie in hiPSC-CMs und bestätigten ihre Expression in 3D ex-vivo humanen Lungen- und Herzgewebsschnitten mittels qPCR. Die Versuche zur Validierung der beobachteten Effekte im Hamstermodell der SARS-CoV-2 Infektion erwiesen sich als nicht schlüssig. Die Behandlung mit siRNAs zur Hemmung von circRNAs in hiPSC-CMs, die mit Pseudopartikeln verschiedener SARS-CoV-2-Varianten (alpha, beta, gamma, delta, omicron und Wildtyp) infiziert wurden, zeigte, dass verschiedene SARS-CoV-2-Pseudopartikel unterschiedliche Infektiositäten aufweisen. Dabei waren die Varianten alpha und omicron am infektiösesten sind. Besonders zwei circRNAs beeinflussten den Eintritt spezifischer SARS-CoV-2-Pseudopartikel (omicron, beta und gamma) in hiPSC-CMs. Um das Potenzial dieser circRNAs bei der Hemmung der SARS-CoV-2-Infektion in Kardiomyozyten zu validieren, infizierten wir hiPSC-CMs mit SARS-CoV-2 (MOI 0.01, 48 h) nach siRNA-basierter Herunterregulation von circRNAs. Es war eine verringerte virale Last für einen der Kandidaten mittels qPCR und Plaquetest zu beobachten. Um die zugrundeliegenden Mechanismen zu erforschen, führten wir eine Gesamt-RNA-Sequenzierung durch. Diese Analyse deutet auf eine Deregulation von Genen hin, die an der Regulation des viralen Genoms, der Interferon-Signalweg und der Interleukin-Signalweg beteiligt sind, die während der Infektion immunmodulatorische Rollen einnehmen. Zusammengefasst helfen die in dieser Studie generierten Daten, die Rolle von circRNAs als potenzielle therapeutische Ziele bei der Behandlung von akutem COVID-19 zu etablieren.
Publikationen
- Type I IFNs Decrease SARS-CoV-2 Replication in Human Cardiomyocytes and Increase Cytokine Production in Macrophages. Verónica Durán, Eirini Nikolouli, Shambhabi Chatterjee, Bibiana Costa, Andreas Pavlou, Annett Ziegler, Jennifer Becker, Kira Baumann, Matthias Bruhn, Kathrin Haake, Anna Rafiei Hashtchin, Ingrid Gensch, Andrea Korte, Yvonne Lisa Behrens, Shen-Ying Zhang, Jean-Laurent Casanova, Christian Bär, Nico Lachmann, Thomas Thum, Ulrich Kalinke. Journal of Clinical Immunology 2025, https://doi.org/10.1007/s10875-025-01943-6
- SARS-CoV-2-infected cardiomyocytes exhibit upregulated necroptosis, but no evidence of mitochondrial permeability transition. Carina Gross, Shambhabi Chatterjee, Benjamin E Nilsson-Payant, Stevan D Stojanović, Helenie Kefalakes, Christian Bär, Thomas Thum, Thomas Pietschmann, Johann Bauersachs, Georgios Amanakis. Journal of Molecular and Cellular Cardiology Plus 2026, https://doi.org/10.1016/j.jmccpl.2025.100833
- Autonomic dysfunction and vasoregulation in long COVID-19 are linked to anti-GPCR autoantibodies. Boris Schmitz, René Garbsch, Hendrik Schäfer, Christian Bär, Shambhabi Chatterjee, Gabriela Riemekasten, Kai Schulze-Forster, Harald Heidecke, Christoph Schultheiß, Mascha Binder, Frank C. Mooren. Journal of Allergy and Clinical Immunology 2026, https://doi.org/10.1016/j.jaci.2025.10.034