Die Rolle der TMPRSS2-Proteolyse bei der Ausbreitung von SARS-CoV-2 in Zellen des Respirationstrakts und in vivo

Projektleiter: Prof. Dr. Luka Čičin-Šain

Das wurde erreicht:

Das Projekt 6FF22 untersuchte, ob das Wirtszellprotein TMPRSS2 als Angriffspunkt für neue antivirale Medikamente gegen SARS-CoV-2 und andere Atemwegsviren genutzt werden kann. TMPRSS2 ist eine Protease auf der Oberfläche menschlicher Zellen, die von verschiedenen Viren – darunter Coronaviren und Influenza-Viren – benötigt wird, um in Zellen einzudringen. Ziel des Projekts war es, neue Hemmstoffe dieses Proteins zu identifizieren, deren antivirale Wirkung zu untersuchen und besser zu verstehen, welche Rolle TMPRSS2 bei der Infektion mit verschiedenen SARS-CoV-2-Varianten spielt.

Im Verlauf des Projekts wurden in Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern mehrere neue TMPRSS2-Inhibitoren identifiziert, darunter peptidomimetische Wirkstoffe, Naturstoffe aus Cyanobakterien sowie antisense-Oligonukleotide. Darüber hinaus wurde ein innovativer computergestützter Ansatz entwickelt, der Molekulardynamik-Simulationen mit maschinellem Lernen kombiniert und die Suche nach antiviralen Wirkstoffen deutlich effizienter macht. Mit diesem Ansatz konnte ein neuer hochwirksamer TMPRSS2-Inhibitor identifiziert werden, der den Eintritt verschiedener SARS-CoV-2-Varianten in Zellen blockiert.

Untersuchungen in genetisch veränderten Mäusen zeigten zudem, dass TMPRSS2 für die effiziente Vermehrung verschiedener SARS-CoV-2-Varianten entscheidend ist. Diese Ergebnisse bestätigen TMPRSS2 als vielversprechendes Ziel für antivirale Therapien. Gleichzeitig lieferten die Studien Hinweise darauf, warum einige Wirkstoffe trotz guter Ergebnisse in Zellkulturen klinisch nicht wirksam sind: TMPRSS2-Inhibitoren müssen vermutlich direkt in die Atemwege verabreicht werden, um ausreichend wirksam zu sein.

Eine weitere wichtige Erkenntnis war, dass sich SARS-CoV-2-Varianten in ihrer Nutzung von Wirtszellproteasen unterscheiden können. Während frühe Omicron-Varianten TMPRSS2 weniger effizient nutzten, können neuere Varianten diese Fähigkeit wiedererlangen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass TMPRSS2 ein vielversprechender Angriffspunkt für breit wirksame antivirale Medikamente ist, die künftig auch gegen andere Atemwegsviren eingesetzt werden könnten und damit zur Vorbereitung auf zukünftige Pandemien beitragen.

Publikationen

• SARS-CoV-2 BA.2.86 enters lung cells and evades neutralizing antibodies with high efficiency. Cell. Zhang, L., Kempf, A., Nehlmeier, I., Cossmann, A., Richter, A., Bdeir, N., Graichen, L., Moldenhauer, A. S., Dopfer-Jablonka, A., Stankov, M. V., Simon-Loriere, E., Schulz, S. R., Jäck, H. M., Čičin-Šain, L., Behrens, G. M. N., Drosten, C., Hoffmann, M., & Pöhlmann, S., Cell 2024, 187(3), 596-608.e17, https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.12.025
• Phosphatidylserine-exposing extracellular vesicles in body fluids are an innate defence against apoptotic mimicry viral pathogens. Rüdiger Groß, Hanna Reßin, Pascal von Maltitz, Dan Albers, Laura Schneider, Hanna Bley, Markus Hoffmann, Mirko Cortese, Dhanu Gupta, Miriam Deniz, Jae-Yeon Choi, Jenny Jansen, Christian Preußer, Kai Seehafer, Stefan Pöhlmann, Dennis R. Voelker, Christine Goffinet, Elke Pogge-von Strandmann, Uwe Bunz, Ralf Bartenschlager, Samir El Andaloussi, Konstantin M. J. Sparrer, Eva Herker, Stephan Becker, Frank Kirchhoff, Jan Münch & Janis A. Müller. Nature Microbiology 2024, https://doi.org/10.1038/s41564-024-01637-6
• Immune responses following BNT162b2 XBB.1.5 vaccination in patients on haemodialysis in Germany. The Lancet Infectious Diseases. Cossmann, A., Hoffmann, M., Stankov, M. V., Lürken, K., Morillas Ramos, G., Kempf, A., Nehlmeier, I., Pöhlmann, S., Behrens, G. M. N., & Dopfer-Jablonka, A., The Lancet Infectious Diseases 2024, 24(3), https://doi.org/10.1016/S1473-3099(23)00783-1
• Filamentous fungus-produced human monoclonal antibody provides protection against SARS-CoV-2 in hamster and non-human primate models. Franziska K. Kaiser, Mariana Gonzalez Hernandez, Nadine Krüger, Ellinor Englund, Wenjuan Du, Anna Z. Mykytyn, Mathijs P. Raadsen, Mart M. Lamers, Francine Rodrigues Ianiski, Tatiana M. Shamorkina, Joost Snijder, Federico Armando, Georg Beythien, Malgorzata Ciurkiewicz, Tom Schreiner, Eva Gruber-Dujardin, Martina Bleyer, Olga Batura, Lena Erffmeier, Rabea Hinkel, Cheila Rocha, Monica Mirolo, Dubravka Drabek, Berend-Jan Bosch, Mark Emalfarb, Noelia Valbuena, Ronen Tchelet, Wolfgang Baumgärtner, Markku Saloheimo, Stefan Pöhlmann, Frank Grosveld, Bart L. Haagmans & Albert D.M.E. Osterhaus. Nature Communications 2024, https://doi.org/10.1038/s41467-024-46443-0
• TMPRSS2 Is Essential for SARS-CoV-2 Beta and Omicron Infection. Metzdorf, K., Jacobsen, H., Greweling-Pils, M. C., Hoffmann, M., Lüddecke, T., Miller, F., Melcher, L., Kempf, A. M., Nehlmeier, I., Bruder, D., Widera, M., Ciesek, S., Pöhlmann, S., & Čičin-Šain, L., Viruses 2023, 15(2), 271, https://doi.org/10.3390/v15020271
• Humoral immunity after mRNA SARS-CoV-2 omicron JN.1 vaccination. Christine Happle, Markus Hoffmann, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Metodi V Stankov, Noemi Calderon Hampel, Torsten Witte, Stefan Pöhlmann, Georg M N Behrens, Alexandra Dopfer-Jablonka. Lancet Infect Dis, https://10.1016/S1473-3099(24)00603-0
• A single-dose MCMV-based vaccine elicits long-lasting immune protection in mice against distinct SARS-CoV-2 variants. Kristin Metzdorf, Henning Jacobsen, Yeonsu Kim, Luiz Gustavo Teixeira Alves , Upasana Kulkarni, Maja Cokarić Brdovčak, Jelena Materljan, Kathrin Eschke, M Zeeshan Chaudhry, Markus Hoffmann, Federico Bertoglio, Maximilian Ruschig, Michael Hust, Marko Šustić, Astrid Krmpotić, Stipan Jonjić, Marek Widera, Sandra Ciesek, Stefan Pöhlmann, Markus Landthaler, Luka Čičin-Šain. Front Immunol. https://doi.org/10.3389/fimmu.2024.1383086
• ACE2-independent sarbecovirus cell entry can be supported by TMPRSS2-related enzymes and can reduce sensitivity to antibody-mediated neutralization. Lu Zhang, Hsiu-Hsin Cheng, Nadine Krüger, Bojan Hörnich, Luise Graichen, Alexander S Hahn, Sebastian R Schulz, Hans-Martin Jäck, Metodi V Stankov, Georg M N Behrens, Marcel A Müller, Christian Drosten, Onnen Mörer, Martin Sebastian Winkler, ZhaoHui Qian, Stefan Pöhlmann, Markus Hoffmann, PLOS Pathogens 2024 , https://doi.org.10.1371/journal.ppat.1012653
• Cytoskeletal β-tubulin and cysteine cathepsin L deregulation by SARS-CoV-2 spike protein interaction with the neuronal model cell line SH-SY5Y. Bernardo R Oliveira, Inga Nehlmeier, Amy Madeleine Kempf, Vaishnavi Venugopalan, Maren Rehders, Marianne E P Ceniza, Pedro A de T P V Cavalcanti, Markus Hoffmann, Stefan Pöhlmann, Klaudia Brix. Biochimie, https://doi.org.10.1016/j.biochi.2024.02.006
• Impact of JN.1 booster vaccination on neutralisation of SARS-CoV-2 variants KP.3.1.1 and XEC. Prerna Arora, Christine Happle, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Metodi V Stankov, Alexandra Dopfer-Jablonka, Georg M N Behrens, Stefan Pöhlmann, Markus Hoffmann. Lancet Infect Dis, https://doi.org.10.1016/S1473-3099(24)00688-1
• Nafamostat-Mediated Inhibition of SARS-CoV-2 Ribosomal Frameshifting Is Insufficient to Impair Viral Replication in Vero Cells. Comment on Munshi et al. Identifying Inhibitors of -1 Programmed Ribosomal Frameshifting in a Broad Spectrum of Coronaviruses. Jäger N, Hoffmann M, Pöhlmann S, Krüger N. Viruses 2022, https://doi.org/10.3390/v14071526
• Neutralisation sensitivity of SARS-CoV-2 lineages EG.5.1 and XBB.2.3. Zhang, L., Kempf, A., Nehlmeier, I., Cossmann, A., Dopfer-Jablonka, A., Stankov, M. V., Schulz, S. R., Jäck, H. M., Behrens, G. M. N., Pöhlmann, S., & Hoffmann, M., The Lancet Infectious Diseases, 23(10) 2023, https://doi.org/10.1016/S1473-3099(23)00547-9
• Omicron subvariant BA.5 efficiently infects lung cells. Hoffmann, M., Wong, L. Y. R., Arora, P., Zhang, L., Rocha, C., Odle, A., Nehlmeier, I., Kempf, A., Richter, A., Halwe, N. J., Schön, J., Ulrich, L., Hoffmann, D., Beer, M., Drosten, C., Perlman, S., & Pöhlmann, S., Nature Communications 14, 2023, https://doi.org/10.1038/s41467-023-39147-4
• Profound neutralization evasion and augmented host cell entry are hallmarks of the fast-spreading SARS-CoV-2 lineage XBB.1.5. Hoffmann, M., Arora, P., Nehlmeier, I., Kempf, A., Cossmann, A., Schulz, S. R., Morillas Ramos, G., Manthey, L. A., Jäck, H. M., Behrens, G. M. N., & Pöhlmann, S., Cellular & Molecular Immunology, 20, 2023, https://doi.org/10.1038/s41423-023-00988-0
• Comparative Analysis of Host Cell Entry Efficiency and Neutralization Sensitivity of Emerging SARS-CoV-2 Lineages KP.2, KP.2.3, KP.3, and LB.1. Chen N, Decker KE, Schulz SR, Kempf A, Nehlmeier I, Moldenhauer AS, Dopfer-Jablonka A, Behrens GMN, Stankov MV, Manthey L, Jäck HM, Hoffmann M, Pöhlmann S, Arora P. Vaccines (Basel) 2024, https://doi.org/10.3390/vaccines12111236
• Rapid spread of the SARS-CoV-2 JN.1 lineage is associated with increased neutralization evasion. Zhang L, Dopfer-Jablonka A, Cossmann A, Stankov MV, Graichen L, Moldenhauer AS, Fichter C, Aggarwal A, Turville SG, Behrens GMN, Pöhlmann S, Hoffmann M. iScience 27, 2024, https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.109904
• Virological Traits of the SARS-CoV-2 BA.2.87.1 Lineage. Zhang L, Dopfer-Jablonka A, Nehlmeier I, Kempf A, Graichen L, Calderón Hampel N, Cossmann A, Stankov MV, Morillas Ramos G, Schulz SR, Jäck HM, Behrens GMN, Pöhlmann S, Hoffmann M. Vaccines (Basel) 2024, https://doi.org/10.3390/vaccines12050487
• Acquisition of a multibasic cleavage site does not increase MERS-CoV entry into Calu-3 human lung cells. Hoffmann M, Kleine-Weber H, Graichen L, Nehlmeier I, Kempf A, Moldenhauer A-S, Braun E, Assiri AM, Kirchhoff F, Sauter D, Alkharsah KR, Pöhlmann S. Journal of Virology 2025, https://doi.org/10.1128/jvi.01305-24
• Entry Efficiency, Protease Dependence, and Antibody-Mediated Neutralization of SARS-CoV-2 Sublineages KP.3.1.1 and XEC. Prerna Arora, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Sebastian R. Schulz, Hans-Martin Jäck, Markus Hoffmann, Stefan Pöhlmann, Vaccines 2025, https://doi.org/10.3390/vaccines13040385
• Host cell entry and neutralisation sensitivity of the emerging SARS-CoV-2 variant LP.8.1. Lu Zhang, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Nianzhen Chen, Metodi V Stankov, Christine Happle, Alexandra Dopfer-Jablonka, Georg M N Behrens, Markus Hoffmann, Lancet Infectious Diseases 2025, https://doi.org/10.1016/S1473-3099(25)00113-6
• Host cell entry efficiency and neutralization sensitivity of the SARS-CoV-2 MC.10.1 variant. Zhang L, Kempf A, Nehlmeier I, Chen N, Graichen L, Moldenhauer AS, Stankov MV, Happle C, Schulz SR, Dopfer-Jablonka A, Jäck HM, Behrens GMN, Pöhlmann S, Hoffmann M, Virology 2025, https://doi.org/10.1016/j.virol.2025.110675
• Host cell lectins ASGR1 and DC-SIGN jointly with TMEM106B confer ACE2 independence and imdevimab resistance to SARSCoV-2 pseudovirus with spike mutation E484D. Prerna Arora, Lu Zhang, Inga Nehlmeier, Amy Kempf, Luise Graichen, Eike Kreitz, Anzhalika Sidarovich, Cheila Rocha, Sabine Gärtner, Michael Winkler, Sebastian Schulz, Hans-Martin Jäck, Markus Hoffmann, Stefan Pöhlmann, Journal of Virology 2025, https://doi.org/10.1128/jvi.01230-24
• Reverse mutational scanning of SARS-CoV-2 spike BA.2.86 identifies epitopes contributing to immune escape from polyclonal sera. Najat Bdeir, Tatjana Lüddecke, Henrike Maaß, Stefan Schmelz, Ulfert Rand, Henning Jacobsen, Kristin Metzdorf, Upasana Kulkarni, Anne Cossmann, Metodi V. Stankov, Markus Hoffmann, Stefan Pöhlmann, Wulf Blankenfeldt, Alexandra Dopfer-Jablonka, Georg M. N. Behrens, Luka Čičin-Šain, Nature Communications 2025, https://doi.org/10.1038/s41467-025-55871-5
• Spumigins produced by Nodularia spumigena are natural serine protease inhibitors with anti-SARS-CoV-2 activity. Milewska A, Konkel R, Hoffmann M, Pöhlmann S, Szczepański A, Fröhlich T, Popowicz G, Overlinge D, Mazur-Marzec H, Pyrć K. Virology 2025, https://doi.org/10.1016/j.virol.2025.110763
• Simulations and active learning enable efficient identification of an experimentally-validated broad coronavirus inhibitor. Elez K, Hempel T, Shrimp JH, Moor N, Raich L, Rocha C, Winter R, Le T, Pöhlmann S, Hoffmann M, Hall MD, Noé F. Nat Communications 16, 2025, https://doi.org/10.1038/s41467-025-62139-5
• Epidemiological and virological update on the emerging SARS-CoV-2 variant BA.3.2. Zhang L, Chen N, Eichmann A, Nehlmeier I, Moldenhauer AS, Stankov MV, Happle C, Dopfer-Jablonka A, Behrens GMN, Hoffmann M, Pöhlmann S., Lancet Infectious Diseases 2025, https://doi.org/10.1016/S1473-3099(25)00658-9
• Host cell entry and neutralisation sensitivity of SARS-CoV-2 BA.3.2. Zhang L, Kempf A, Nehlmeier I, Chen N, Stankov MV, Happle C, Dopfer-Jablonka A, Behrens GMN, Schulz SR, Jäck HM, Pöhlmann S, Hoffmann M. Lancet Infectious Diseases 2025, https://doi.org/10.1016/j.lanmic.2025.101165
• Amino acid residues 655 and 969 in the spike protein of Omicron subvariant BA.1 control use of TMPRSS2 versus Cathepsin L dependent entry pathways and cell tropism. Cheila Rocha, Prerna Arora, Lu Zhang, Anzhalika Sidarovich, Luise Graichen, Anna-Sophie Moldenhauer, Stefan Pöhlmann, Markus Hoffmann. Plos One 2025, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0328879