Dauer der Aktivität: 30 Minuten
Altersempfehlung: ab 15 Jahren
Population geneticsMedical Data Science
Jagd auf Varianten
– Jetzt sind Sie dran
Eine neue Variante ist da!
Finden Sie die Unterschiede, ihre Auswirkungen und verfolgen Sie die Entwicklung des Coronavirus.
Aktivität 1
Finden Sie die Unterschiede!
Jedes Mal, wenn SARS-CoV-2 menschliche Zellen infiziert, werden Millionen Kopien des Virus und damit seines genetischen Materials produziert…und diese Kopien sind nicht immer identisch.
Hier sind 3 kleine Stücke des genetischen Materials von SARS-CoV-2:
das Original und zwei verschiedene Kopien (Variante 1 und Variante 2), die aus zwei verschiedenen Städten stammen.
| original | ggt | ttc | caa | ccc | act | aat | ggt | gtt | ggt | tac |
| variant 1 | ggt | ttc | caa | ccc | act | tat | ggt | gtt | ggt | tac |
| variant 2 | ggc | ttc | caa | ccc | act | aac | ggt | gtt | ggt | tac |
?
Frage 1
Wie viele Unterschiede gibt es?
Antwort
Es gibt 3 Unterschiede (in grün):
Für Motivierte…
Hier ist der Vergleich des „ursprünglichen“ SARS-CoV-2-Genoms mit dem Genom der Variante Alpha :
Viel Spaß beim Zählen der Unterschiede zwischen diesen beiden Sequenzen von 29’903 Nukleotiden…
Hinweis: Das Vorhandensein eines * bedeutet, dass es keinen Unterschied gibt, das Vorhandensein eines – bedeutet, dass ein Buchstabe fehlt.
Aktivität 2
Ein einzelner Unterschied kann grosse Auswirkungen haben!
Das genetische Material des Virus enthält alle Rezepte zur Herstellung von Proteinen. Die im genetischen Material von Virusvarianten gefundenen Unterschiede (Mutationen genannt) können die mit diesen Rezepten hergestellten Proteine modifizieren…aber nicht immer.
Das Spike-Protein, das an der Oberfläche des Virus auftritt, wird von Wissenschaftlern besonders überwacht. Dies ist das Protein, das es dem Virus ermöglicht, in menschliche Zellen einzudringen, und das von den Antikörpern erkannt wird, die wir produzieren, um das Virus zu bekämpfen.
Je nachdem welche Unterschiede auftreten, könnte das Virus infektiöser werden oder sogar der durch einen Impfstoff hervorgerufenen Immunantwort entkommen.
Übersetzen Sie die 3 Nukleotidsequenzen mithilfe des genetischen Codes in Aminosäuresequenzen:
Fügen Sie die fehlenden Aminosäuren in der Sequenz des Spike-Proteins hinzu.
Der genetische Code
3 Nukleotidbuchstaben (A,T,C,G) entsprechen einem einzelnen Aminosäurebuchstaben (G,E,N,I,A, L, ...)
Beginnen Sie beim Übersetzen in der Mitte und arbeiten Sie sich nach außen vor.
Beispiel: GGT -> G
| POSITION | 498 | 497 | 498 | 499 | 500 | 501 | 502 | 503 | 504 | 505 |
| nucleotides (original) | ggt | ttc | caa | ccc | act | aat | ggt | ggt | ggt | tac |
| amino acids (original) | G | F | Q | P | T | N | G | V | G | Y |
| nucleotides (variant 1) | ggt | ttc | caa | ccc | act | tat | ggt | ggt | ggt | tac |
| amino acids (variant 1) | G | G | V | G | Y | |||||
| nucleotides (variant 2) | ggc | ttc | caa | ccc | act | aac | ggt | gtt | ggt | tac |
| amino acids (variant 2) | P | G | V | Y |
?
Frage 2
Wie viele Unterschiede gibt es zwischen den Proteinsequenzen?
Vergleichen Sie das Ergebnis mit der Anzahl der Unterschiede in Frage 1…
Antwort
Es gibt 3 Unterschiede zwischen den Nukleotidsequenzen (in grün), aber nur 1 Unterschied zwischen den Aminosäuresequenzen: N -> Y (in rot).
Eine Mutation in der Nukleotidsequenz verändert nicht unbedingt die Aminosäuresequenz des entsprechenden Proteins, da der genetische Code „redundant“ ist. Glücklicherweise!
| …496 | 497 | 498 | 499 | 500 | 501 | 502 | 503 | 504 | 505… | |
| nucleotides (original) | ggt | ttc | caa | ccc | act | aat | ggt | gtt | ggt | tac |
| amino acids (original) | G | F | Q | P | T | N | G | V | G | Y |
| nucleotides (variant 1) | ggt | ttc | caa | ccc | act | tat | ggt | gtt | ggt | tac |
| amino acids (variant 1) | G | F | Q | P | T | Y | G | V | G | Y |
| nucleotides (variant 2) | ggc | ttc | caa | ccc | act | aac | ggt | gtt | ggt | tac |
| amino acids (variant 2) | G | F | Q | P | T | N | G | V | G | Y |
Die Mutation N->Y findet sich in der Virus-„Variante 1“ an Position 501 in der Aminosäuresequenz des Spike-Proteins: Sie heißt N501Y.
Diese Mutation könnte sich auf die Fähigkeit von SARS-CoV-2 auswirken, menschliche Zellen zu infizieren, da es sich in der Region des Spike-Proteins befindet, die sich an menschliche Zellen bindet.
Aktivität 3
Verfolgen Sie die Entwicklung des Virus…
Hier ist eine sehr schematisierte Darstellung des genetischen Materials von SARS-CoV-2, jeweils mit einer anderen Kombination von Mutationen (Rechtecke unterschiedlicher Farbe). Die Sequenz F entspricht dem „ursprünglichen“ Virus.
Die Reihenfolge, in der die verschiedenen Mutationen auftreten, kann durch einen Baum dargestellt werden. Die rote Mutation, die in allen Virusvarianten vorhanden ist, trat wahrscheinlich zuerst auf (Variante E), dann die gelbe Mutation (Variante C),…
?
Frage 3
Welches ist die beste Lösung?
Hier sind die Nukleotidsequenzen von 5 Virusvarianten. Welcher der Bäume, die die Reihenfolge des Auftretens der Mutationen zeigen, scheint richtig zu sein?
Antwort
Die richtige Antwort ist „Lösung B“ und „Lösung C“. Diese beiden Bäume sind identisch: der oberste Zweig wurde verdreht, etwa wie bei einem Mobile.
Die Variante 4 ist wohl vor den anderen aufgetreten.
Aktivität 4
Hier ist eine SARS-CoV-2-Nukleotidsequenz, die Anfang Dezember 2020 im Abwasser einer Kläranlage eines Schweizer Skigebiets gefunden wurde:
| position | 496 | … | … | … | … | … | … | … | … | 505 |
| codon | ggt | ttc | caa | ccc | act | tat | ggt | gtt | ggt | tac |
Ist die Mutation N501Y vorhanden? Könnte es vielleicht die Variante Alpha sein?
Tipp: Verwenden Sie den genetischen Code und übersetzen Sie die Nukleotidsequenz…
Antwort & Erläuterung
Hier die jeweiligen Positionen der verschiedenen Codons und Aminosäuren in der Sequenz des Spike-Proteins:
| position | 496 | 497 | 498 | 499 | 500 | 501 | 502 | 503 | 504 | 505 |
| codon | ggt | ttc | caa | ccc | act | tat | ggt | gtt | ggt | tac |
| amino acids |
G | F | Q | P | T | Y | G | V | G | Y |
Die Proteinsequenz enthält an Position 501 die Aminosäure Y, die der berühmten Mutation N501Y entspricht.
Anekdote: Diese Mutation sowie mehrere andere in der Variante Alpha vorhandene Mutationen wurden im Abwasser von Lausanne und einem Schweizer Skigebiet gefunden. Diese Proben wurden zwischen Juli und Dezember 2020 gesammelt. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Variante Alpha bereits Anfang Dezember 2020 in der Schweiz im Umlauf gewesen sein könnte. Offiziell wurde diese Variante Anfang Dezember 2020 in Grossbritannien entdeckt!
Quelle:
Detection and surveillance of SARS-CoV-2 genomic variants in wastewater (2021)
Surveillance of SARS-CoV-2 genomic variants in wastewater
V-pipe: A bioinformatics pipeline for viral sequencing data
