De heerschappij van SARS

De erfelijke informatie van het sars-virus is bekend. sars is een coronavirus dat meesterlijk op een gastheercel parasiteert. Maar waarom sars zo'n ernstige ziekte is, is op grond van de erfelijke code nog niet te begrijpen.

Duizenden Chinezen lijden nog aan SARS. Tientallen raken dagelijks besmet en worden bijna een week later ziek. Uiteindelijk bezwijkt één op de vijf tot één op de vijftien zieken aan SARS. De schattingen van de mortaliteit lopen uiteen, omdat het wel vijf weken kan duren voordat iemands lot beslist is. Buiten China lijkt de epidemie op dit moment bedwongen.

Informatie over het virus komt in moordend tempo beschikbaar. Alle vooraanstaande wetenschappelijke tijdschriften (Science, Nature, The Lancet, The New England Journal of Medicine, Journal of the Medical Association of America) hebben de afgelopen dagen en weken de laatste resultaten online gepubliceerd.

Het ziekteveroorzakende SARS-virus is een coronavirus. Zoveel is nu wel zeker. Van coronavirussen is al veel bekend, want het zijn virussen die onder pluimvee, varkens en runderen, katten, honden en muizen ziekte veroorzaken. Hoe SARS ziek maakt is in het algemeen wel bekend. Virologen weten tot in detail hoe coronavirussen een zoogdiercel binnentrekken en er de regie in handen nemen. Maar over de strijd tussen het virus en het afweersysteem van de `gastheer' is nog veel onbekend.

Virussen komen pas tot leven als ze binden op een cel van hun toekomstige slachtoffer. Die binding komt bij coronavirussen tot stand als één van de honderden spikes in de mantel van het virus contact maakt met eiwitten op de celwand van luchtwegcellen van de belaagde mens. De contact makende spikes vervormen, waardoor het virus de celwand zeer dicht nadert. Dan versmelten de membranen van virus en slachtoffercel en vloeit de minuscule virusinhoud – de erfelijke informatie van het virus in de vorm van een RNA-molecuul – de cel van het slachtoffer in.

Dat is genoeg. Zodra het RNA binnen is, is de cel in feite reddeloos verloren. Wellicht ook de hele gastheer. ``Eén virusdeeltje kan in principe een full blown infectie veroorzaken'', zegt coronavirusdeskundige prof.dr. Peter Rottier, verbonden aan de diergeneeskundefaculteit van Universiteit Utrecht. ``De geïnfecteerde cel beschouwt het virus-RNA als de genetische informatie voor een eigen eiwit. En gaat dat eiwit ook onmiddellijk maken. Zo ontstaat het eerste viruseiwit.'' Daarmee beginnen de moleculaire processen die miljoenen nieuwe virusdeeltjes kunnen opleveren.

Eén virusdeeltje dat aan een celoppervlak weet te hechten kan weliswaar ziekte veroorzaken, maar voor het SARS-virus is de dosis die iemand binnen moet krijgen om ziek te worden nog onbekend. Het SARS-virus komt bijvoorbeeld met vochtdruppeltjes of in speeksel in de luchtwegen terecht. Zo'n vocht- of speekseldruppeltje botst tegen haartjes van de slijmlaag in de luchtweg, of blijft plakken in de slijmlaag. Soms dringt zo'n virus door de beschermende slijmlaag, komt geen opruimcellen van het afweersysteem tegen, en maakt contact met de membraaneiwitten waaraan ze kunnen binden (de receptoren). Pas dan begint de infectie. Het receptoreiwit voor het SARS-virus kennen de virologen nog niet. Bij de muis en de kat zijn ze wel bekend. Een vergelijking van de genvolgorde van het spike-eiwitten van het SARS-virus met de spike-genen in andere, bekende coronavirussen laat echter nauwelijks overeenkomst zien. Slechts een kwart van de basen komt overeen. De basenvolgorde in het spike-gen van SARS geeft geen aanwijzing voor het type receptor waar SARS aan bindt.

Wat opvalt aan het SARS-virus is dat mensen die ziekteverschijnselen krijgen allemaal één of twee weken flink ziek zijn. Het serieuze zoekwerk naar afweerstoffen in het bloed bij mensen die zich niet ziek hebben gevoeld moet weliswaar nog beginnen, maar bij een aantal gezond gebleven familieleden en verpleegkundigen die in contact met de patiënten zijn geweest is tot nu toe geen spoor van het virus, of van een reactie van hun afweersysteem gevonden. Veel andere virussen veroorzaken echter behalve ziekte ook infecties die de geïnfecteerden nauwelijks opmerken. De schatting van de sterfte aan SARS loopt uiteen van 7% van de patiënten (in Toronto) tot 13% (bij mensen jonger dan 60 jaar in Hongkong) of zelfs 43% (bij de 60-plussers in Hongkong).

Het SARS-virus is een coronavirus dat afwijkt van de bekende drie groepen coronavirussen, maar toch heeft het alle typische eigenschappen van een coronavirus. Kenmerkend is het (voor virusbegrippen) zeer lange RNA-molecuul waarop alle genen liggen. Even kenmerkend is dat direct na binnenkomst van het RNA in de lichaamscel van de geïnfecteerde een reuzeneiwit wordt gesynthetiseerd.

Reuzeneiwit

Dat eerste viruseiwit is een intern gefabriceerd Trojaans paard. Rottier: ``Het is een reuzeneiwit dat, zodra het is ontstaan, in enkele tientallen kleinere eiwitten wordt gesplitst. Eiwitsplitsende enzymen van de gastheercel kunnen de aminozuurketen splitsen, maar het viruseiwit heeft ook autokatalytische capaciteit. Het splitst zichzelf. Een paar van die eiwitten zijn wel bekend: het zijn enzymen die ervoor zorgen dat er kopieën van het virus-RNA worden gemaakt. Op basis van die kopieën worden de RNA's voor nieuwe virusdeeltjes gemaakt. Ook ontstaan er vele kleinere RNA's, met de genen voor de eiwitten waarmee de nieuwe virussen worden opgebouwd.''

Een infectie verhinderen kan waarschijnlijk het best op het moment dat het virus de cel binnen dringt. ``Medicijnen tegen virussen zijn moeilijk te maken'', zegt Rottier, ``omdat virussen immers alleen binnen een cel actief zijn. Buiten de cel zijn ze dood. Dat in tegenstelling tot bacteriën die buiten cellen ook leven en dan met antibiotica te bestrijden zijn. Eenmaal in de cel nemen virussen deel aan bestaande celprocessen. Als je daar met medicijnen ingrijpt is de kans op soms ernstige bijwerkingen groot, omdat je dan ook vaak gewone celprocessen beïnvloedt.''

Rottiers Utrechtse virologiegroep heeft met speciaal ontworpen peptiden het vervormen van de spike-eiwitten bij muizen- en kattencoronavirus geblokkeerd. Daardoor mislukt de infectie. Het zijn reageerbuisexperimenten in weefselkweekjes, maar het principe werkt. Een wetenschappelijk artikel over dit potentiële medicijn tegen coronavirussen wacht op publicatie in een virologisch tijdschrift. Een patent op de manipulatie van coronavirus dat Rottier bezit is onlangs uitgebreid met de nieuwe toepassing. Het principe zou ook bij SARS toepasbaar moeten zijn.

Coronavirussen hebben zich, zoals alle virussen, verregaand aangepast om zich in hun gastheercel succesvol voort te kunnen planten. Dat hun genen op één streng RNA liggen is zowel een voordeel als een nadeel. In dieren en planten ligt de erfelijke informatie vast op meerdere chromosomen met dubbelstrengs DNA. Om de genetische informatie in een eiwit om te zetten wordt van dat dubbelstrengs DNA een enkelstrengs messenger-RNA (mRNA) gemaakt. RNA-virussen apen die mRNA's na en mengen zich daardoor makkelijk in de moleculaire celprocessen. Dat is voor het virus het voordeel van RNA.

Om het nadeel te beschrijven is wat inzicht nodig in de vertaalslag die van genetische informatie naar eiwitten leidt. In een zoogdiercel gaat er, om de synthese van bijvoorbeeld een spijsverteringsenzym te beginnen, een signaal naar de celkern. Dat signaal komt bijvoorbeeld uit de maagwand als er voedsel in de maag komt. In de celkern wordt in het DNA op één van de chromosomen het gen met de erfelijke code voor het benodigde eiwit opgezocht. De mRNA-kopie van het gen ontstaat in de celkern en verhuist de celkern uit. In het celvocht (cytoplasma) wordt op basis van het mRNA het spijsverteringsenzym gemaakt dat al tijdens de aanmaak in het endoplasmatisch reticulum (ER) wordt opgenomen. Vanuit het ER gaat het enzym, via het Golgi-apparaat, in een membraanblaasje verpakt de cel uit, naar zijn bestemming in maag of darm. Een levende cel maakt, als het nodig is, op die manier duizenden verschillende eiwitten per minuut.

Eiwitten bestaan uit ketens van aminozuren. Iedere drie opeenvolgende basen in een mRNA-moleculen coderen één aminozuur in de eiwitketen. De eiwitsynthesemachine in het cytoplasma komt op gang als een RNA-aftastend eiwit-RNA-complex (een ribosoom) een startcodon ontdekt. Een opeenvolging van de drie basen adenine, uracil en guanine (het codon AUG) is het startcodon. De DNA-keten wordt afgelezen tot de ribosomen een een stopcodon (UGA, UAA of UAG) tegenkomen. Het start- en stopcodon liggen aan het begin en eind van een open reading frame, het deel van het RNA dat door de ribosomen in één keer wordt afgelezen. Rottier: ``Nadat de ribosomen een stopcodon zijn tegengekomen verlaten ze het mRNA. Ze kijken niet of er verderop nog genen liggen.''

Voor het coronavirus is dat een probleem, want daar liggen een tiental genen, beëindigd door stopcodons, achter elkaar op het virale RNA dat een mRNA probeert na te apen. In de loop van de evolutie hebben de coronavirussen dat nadeel omzeild: het cruciale eerste eiwit dat het virus direct na binnenkomst laat produceren valt door splitsing-achteraf in meerdere eiwitten uiteen. Die eiwitsplitsing-achteraf is een manier om veel eiwitten te maken zonder over een stopcodon te struikelen. Rottier: ``Het open reading frame voor dat eerste reuzeneiwit is ook uitzonderlijk lang. Het is meer dan 20.000 basenparen groot.''

Achter dat gen voor het eerste reuzen-eiwit, in de laatste 8.000 van de in totaal 30.000 basenparen van het virus-RNA, ligt echter nog een tiental belangrijke genen. De eiwitten waar ze voor coderen zijn de eiwitten waar de nieuwe virusdeeltjes mee worden opgebouwd. Ze heten S (voor spike), E (voor envelop), M (voor membraan) en N (voor nucleocapside). Rottier: ``En er liggen nog vijf of meer kleinere genen voor eiwitten die de niet-essentiële eiwitten heten.'' Niet-essentieel is hier gezien vanuit de optiek van de viroloog. Rottier: ``Als je die genen er uit haalt, groeien de virussen nog wel in weefselkweek, maar niet meer in levende organismen.'' De genen en hun eiwitten beïnvloeden niet de cel waarin ze groeien, maar het systeem van de gastheer. Rottier: ``Wellicht verzwakken die eiwitten de afweer van de gastheer. Of ze bevorderen het infectieproces. Die eiwitten kunnen dus heel goed van belang zijn voor de virulentie van het virus.'' Van één van die X-eiwitten uit een andere groep coronavirussen is de functie bekend. Tot nu toe waren er drie groepen coronavirussen, oorspronkelijk ingedeeld op grond van de afweerreacties die ze opwekken, maar nu de genvolgorden bekend zijn blijken ze ook grote genetische verschillen te hebben. De coronavirussen van groep 2 bezitten het gen voor hemagglutinine-esterase. Rottier: ``Dat enzym beïnvloedt waarschijnlijk de slijmlaag in de keelholte van de gastheer, zodat virusdeeltjes beter de te infecteren cellen in keel en neus kunnen binnendringen. Ook influenzavirussen bezitten dat gen voor hemagglutinine-esterase.'' Voor het virus zijn die niet-essentiële eiwitten wel degelijk essentieel.

De niet-essentiële eiwitten zijn mysterieuze eiwitten. Dat blijkt ook weer uit de twee online publicaties die het tijdschrift Science op 1 mei op zijn website zette (www.sciencemag.org). Beide publicaties bevatten de basenvolgorde van het SARS-coronavirus. Een Canadese groep ontrafelde de erfelijke code van het virus als eerste. En een groep van het Amerikaanse Centers of Disease Control, waar ook de Erasmusuniversiteitvirologen prof.dr. Ab Osterhaus en dr. Ron Fouchier aan meewerkten, had de volgorde een paar dagen later, maar analyseert het virusgenoom eleganter.

De CDC-groep noemt die mysterieuze genen X1, X2, X3, X4 en X5. Een zoektocht in de databanken, waarin inmiddels de basenvolgorden van honderdduizenden verschillende genen van virussen, bacteriën, planten en dieren zijn gedeponeerd, levert geen overeenkomsten op met die vijf X-eiwitten van SARS. In de natuur is tot nu toe gewoon nog niks gevonden dat op die vijf X-eiwitten lijkt. De vijf X-eiwitten van SARS lijken zelfs niet op de niet-essentiële eiwitten van al langer bekende coronavirussen.

Zo'n mysterie voedt de geruchten van bioterrorisme die tegenwoordig bij iedere virusuitbraak de kop opsteken. ``Uitgesloten'', zegt Rottier beslist. ``Er zijn vijf of zes laboratoria in de wereld die een coronavirus kunnen manipuleren. Wij hebben hier van alles aan coronavirussen veranderd, maar ik zou niet weten hoe ik een nieuw, ziekmakend en infectieus coronavirus met genetische bouwstenen zou moeten maken.''

Rottier: ``Duidelijk is in ieder geval dat de mysterieuze genen en die voor de bouwstenen van het virus, dus de genen S, M, E en N, vaak moeten worden afgelezen. Een virus bevat één RNA-molecuul met erfelijke informatie. Maar het is verder opgebouwd uit honderden eiwitten S, M en N en tientallen eiwitten E. De genen liggen aan het eind van het virus-RNA en hebben een start- en stopcodon. Omdat de eiwitsynthetiserende ribosomen stoppen bij het eerste stopcodon zouden die genen nooit worden afgelezen als het virus zich niet had aangepast.''

Voorafgaand aan de genen in de staart van het virus-RNA liggen nu transcription regulating sequences (TRS). Dat zijn stukken RNA van een tiental basen waar RNA-kopiërende enzymen die uit het eerste grote virale eiwit zijn afgesplitst, beginnen met het kopiëren van RNA. Ribosomen van de gastheercel beschouwen die kortere kopieën ook als cel-eigen messenger-RNA's, zoeken het startcodon en synthetiseren eiwit tot ze er bij een stopcodon weer vanaf vallen.

Virusbouwstenen

De virusbouwstenen M, E en S zijn membraaneiwitten. Dat betekent dat ze niet kunnen bestaan zonder gebonden te zijn in de dubbellaag van waterafstotende vetzuurmoleculen waar een membraan uit bestaat. Al tijdens hun synthese verdwijnt de aminozuurketen daarom in het membraan dat het endoplasmatisch reticulum omhult. Op die manier worden overigens de vele eigen membraaneiwitten van de gastheercel ook tijdelijk opgeslagen, voordat ze naar hun bestemming op het membraan van celoppervlak, celkern, of andere celcompartimenten worden getransporteerd. De niet-membraangebonden N-eiwitten komen in het celvocht terecht. Daar binden ze met honderden tegelijk aan rondzwervend gekopieerd virus-RNA. Het helixvormige nucleocapside dat zo ontstaat koppelt aan M-, E- en S-eiwitten in het membraan van het endoplasmatisch reticulum. Rond het nucleocapside ontstaat, als instulping van het endoplasmatisch reticulum, een nieuw virusdeeltje. Verpakt in een blaasje (vesicle) gaat dat virusdeeltje de weg die alle eiwitten gaan die de cel uit moeten: via het Golgi-apparaat naar de celwand.

Zo op het oog lijkt het alsof een coronavirus een heel nette infectie veroorzaakt: het virus gebruikt bestaande moleculaire mechanismen om nieuwe virusdeeltjes te maken en te verspreiden. ``Toch gaat een geïnfecteerde cel na een paar dagen dood'', zegt Rottier. ``De eigen huishouding komt in het gedrang en er ontstaat steeds meer schade.''

Cellen die zijn geïnfecteerd door een virus of bacterie laten vroeg of laat lichaamsvreemde eiwitten op hun oppervlak zien. Die brokken vreemd eiwit worden opgemerkt door de surveillerende witte bloedcellen van het afweersysteem, waarna de cel door de eigen afweer wordt vernietigd. Dan stopt de virusvermeerdering in die cel.

SARS-patiënten overlijden waarschijnlijk niet door een overmaat aan virus, maar door een overreactie van hun eigen afweersysteem. Dat schrijven onderzoekers van de University of Hong Kong en het United Christian Hospital in Hongkong in een artikel dat The Lancet gisteren (9 mei) op haar website publiceerde. De koorts, malaise, slijmloze hoest of kortademigheid die SARS kenmerken nemen een week na ziekenhuisopname al af. De aantallen virusdeeltjes die een patiënt uitscheidt zijn na een dag of tien ziekte al sterk gereduceerd. Maar daarna ontstaat er bij één op de vijf patiënten nieuwe longschade. Die patiënten krijgen uiteindelijk het acute respiratory distress syndrome (ARDS) en moeten worden beademd. Die categorie patiënten heeft een forse kans aan SARS te overlijden.

``Die ernstiger ziekte door een afweerreactie komt bij meer coronavirusinfecties voor'', zegt Rottier, ``Katten die door een coronavirus aan een buikvliesontsteking sterven – dat overkomt bijna twee procent van de Nederlandse katten – gaan ook vaak dood door een overreactie van hun afweersysteem.''