Die COVID-19-Pandemie hat den globalen Bedarf an wirksamen antiviralen Medikamenten, die nicht nur SARS-CoV-2, sondern auch ein breiteres Spektrum von Coronaviren bekämpfen können, schmerzlich verdeutlicht. In diesem Wettlauf gegen die Zeit hat die wissenschaftliche Gemeinschaft ihre Aufmerksamkeit schnell auf einen entscheidenden Teil der molekularen Maschinerie des Virus gerichtet, der als NiRAN-Domäne bekannt ist. Es handelt sich um eine enzymatische Region, die für die Replikation des Virus von entscheidender Bedeutung ist und vielen Coronaviren gemeinsam ist, was sie zu einem äußerst attraktiven Ziel macht. Ein Medikament, das die NiRAN-Domäne erfolgreich blockieren würde, könnte als universeller Schlüssel zur Behandlung bestehender Krankheiten wie COVID, aber auch als erste Verteidigungslinie gegen zukünftige Pandemien durch verwandte Krankheitserreger dienen.

Vor drei Jahren, im Jahr 2022, ging die Nachricht von der Veröffentlichung einer Studie (Yan et al.) durch die wissenschaftliche Gemeinschaft, die, wie es damals schien, das Strukturmodell der Funktionsweise dieser Domäne detailliert beschrieb. Es wurde erwartet, dass diese Arbeit einen gewaltigen Fortschritt darstellen und eine solide Grundlage für die Entwicklung neuer Generationen von Medikamenten bieten würde. Es stellte sich jedoch bald heraus, dass dieser lang erwartete Durchbruch auf falschen Grundlagen aufgebaut war.

Wissenschaftliche Detektivarbeit deckt entscheidende Fehler auf

„Ihre Arbeit enthält kritische Fehler“, erklärte Gabriel Small, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in den Laboren von Seth A. Darst und Elizabeth Campbell an der renommierten Rockefeller University. „Die Daten stützen einfach nicht die Schlussfolgerungen, die sie gezogen haben.“ Genau Small war es, der zusammen mit seinen Kollegen in einer neuen Studie, die in derselben angesehenen Fachzeitschrift Cell veröffentlicht wurde, detailliert aufzeigte, warum Wissenschaftler trotz früherer Behauptungen immer noch nicht den genauen Wirkmechanismus der NiRAN-Domäne kennen. Diese Entdeckung hat weitreichende Konsequenzen, nicht nur für die akademische Gemeinschaft, sondern auch für die pharmazeutische Industrie, wo Teams möglicherweise bereits mit der Entwicklung antiviraler Medikamente auf der Grundlage falscher Annahmen begonnen haben. Sie dient auch als eindringliche Mahnung an die Bedeutung rigoroser wissenschaftlicher Überprüfung und Validierung.

„Es ist absolut entscheidend, dass Strukturmodelle für die medizinische Chemie präzise sind, insbesondere wenn es um ein kritisches Ziel für antivirale Medikamente geht, das in der Industrie auf so intensives Interesse stößt“, betont Elizabeth Campbell, Leiterin des Labors für molekulare Pathogenese. „Wir hoffen, dass unsere Arbeit Entwicklungsteams davon abhält, vergeblich zu versuchen, ein Medikament um eine ungenaue Struktur herum zu optimieren.“

Ein vielversprechendes Ziel und der darauffolgende Trugschluss

Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Originalartikels im Jahr 2022 waren die Labore von Campbell und Darst bereits tief in die Erforschung der NiRAN-Domäne und ihrer Bedeutung als therapeutisches Ziel involviert. Beide Labore beschäftigen sich mit der Untersuchung der Genexpression in Krankheitserregern, und ihre Arbeit am SARS-CoV-2-Virus konzentriert sich teilweise auf die Charakterisierung der molekularen Interaktionen, die die Virusreplikation koordinieren.

Die NiRAN-Domäne spielt eine Schlüsselrolle in einem Prozess, der als „Capping“ der RNA des Virus bekannt ist. Dieser Prozess setzt eine Schutzstruktur an den Anfang des genetischen Materials des Virus, was ihm ermöglicht, sich erfolgreich zu replizieren und innerhalb der Wirtszelle zu überleben. Eine der Methoden, mit denen dies geschieht, ist die Verwendung eines Moleküls namens Guanosindiphosphat (GDP), und dieser Prozess wurde bereits detailliert beschrieben und seine Struktur gilt als gelöst. Die NiRAN-Domäne kann jedoch auch ein verwandtes Molekül, Guanosintriphosphat (GTP), verwenden, um die Schutzkappe zu bilden. In ihrem Bestreben, umfassende antivirale Medikamente zu entwickeln, die die NiRAN-Domäne vollständig „ausschalten“ würden, waren Wissenschaftler außerordentlich daran interessiert, die Details dieses zweiten, GTP-vermittelten Mechanismus aufzudecken.

In der umstrittenen Studie aus dem Jahr 2022 beschrieben die Forscher eine präzise Abfolge chemischer Schritte. Nach ihrem Modell bricht ein Wassermolekül eine Bindung, um das 5'-Phosphatende der RNA freizusetzen. Dieses Ende bindet dann an das Beta-Phosphatende des GTP-Moleküls, was mit Hilfe eines Magnesiumions zur Übertragung des restlichen Teils des GTP auf die RNA führt, wodurch eine Schutzkappe gebildet wird, die dem Virus die weitere Vermehrung ermöglicht. Als Krönungsbeweis legte das Team ein Bild vor, das mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) gewonnen wurde, einer hochmodernen Technik, die die Visualisierung von Molekülen in nahezu atomarer Auflösung ermöglicht und die den Prozess angeblich „auf frischer Tat“ ertappt hatte. Um diesen entscheidenden Schritt „einzufrieren“, verwendeten sie ein synthetisches GTP-Analogon, das Molekül GMPPNP.

Rote Flaggen und der mühsame Weg zur Wahrheit

Gabriel Small las die Arbeit mit großem Interesse. „Sobald sie sie veröffentlichten, versuchte ich, ihre Daten herunterzuladen“, erinnert er sich. Aber die Daten waren nicht da. In der Welt der Strukturbiologie, in der die sofortige Verfügbarkeit von Daten Standard ist, war dies die erste rote Flagge. Monate später, als er endlich Zugang zu den Daten erhielt, begann er, erhebliche Mängel aufzudecken. „Ich habe versucht, eine Dichtekarte mit ihren Daten zu erstellen und habe gemerkt, dass es ernsthafte Probleme gibt“, sagt Small. Er teilte seine Bedenken mit Campbell und Darst, die seiner Einschätzung zustimmten.

„Etwas stimmte offensichtlich nicht“, sagt Campbell. „Aber wir beschlossen, dem anderen Team den Vorzug zu geben und alle ihre Daten selbst von Grund auf neu zu verarbeiten.“

Es folgte eine mühsame Arbeit, mit Small an der Spitze. Bild für Bild analysierte er das veröffentlichte Atommodell mit der tatsächlichen Kryo-EM-Dichtekarte und entdeckte etwas Erstaunliches: Die Schlüsselmoleküle, die Yan und Kollegen angeblich gesehen hatten – insbesondere das GTP-Analogon GMPPNP und das Magnesiumion an der aktiven Stelle der NiRAN-Domäne – waren einfach nicht da. Es gab keine Bilddaten, die ihre Anwesenheit bestätigen würden. Darüber hinaus verletzte die Positionierung dieser Moleküle im ursprünglichen Modell die Grundregeln der Chemie, was zu schweren atomaren Kollisionen und unrealistischen Ladungswechselwirkungen führte. Small führte auch zusätzliche, fortschrittliche Tests durch, die zur Erkennung seltener Partikel entwickelt wurden, aber auch diese blieben ergebnislos. Er konnte keinen einzigen Beweis finden, der das von Yan und Kollegen vorgestellte Modell stützen würde.

Die Bedeutung der wissenschaftlichen Korrektur und ein Blick in die Zukunft

Nachdem die Forscher von Rockefeller ihre Ergebnisse bestätigt hatten, schickten sie ihre Korrektur an die Zeitschrift Cell. „Es war sehr wichtig, dass wir unser Korrekturmanuskript in derselben Zeitschrift veröffentlichen, die auch das Originalmodell veröffentlicht hat“, betont Campbell und merkt an, dass Korrekturen von hochkarätigen Arbeiten oft übersehen werden, wenn sie in Zeitschriften mit geringerem Ansehen veröffentlicht werden. Andernfalls könnte die Verwirrung im wissenschaftlichen Feld Probleme verursachen, die weit über die Labortische hinausgehen. Dies ist eine teure Erinnerung daran, dass rigorose biomedizinische Grundlagenforschung nicht nur eine akademische Übung ist, sondern für den tatsächlichen Fortschritt in der Medizin von entscheidender Bedeutung ist.

„Unternehmen lassen sich nicht in die Karten schauen, aber wir wissen, dass mehrere Industriegruppen dieses Gebiet untersuchen“, fügt Campbell hinzu. „Anstrengungen, die auf einem fehlerhaften Strukturmodell basieren, könnten zu Jahren verlorener Zeit und Ressourcen führen.“ Diese Situation unterstreicht die entscheidende Rolle des Peer-Review-Verfahrens und der selbstkorrigierenden Natur der Wissenschaft. Obwohl Fehler passieren können, sind Transparenz und die Bereitschaft zur Korrektur entscheidend für die Wahrung von Integrität und Fortschritt. Die Suche nach einem vollständigen Verständnis der NiRAN-Domäne geht weiter, jetzt mit einem klareren Bild dessen, was man nicht weiß, was die Wissenschaftler einen Schritt zurückwirft, sie aber auf den richtigen Weg zum endgültigen Ziel lenkt – einem leistungsstarken antiviralen Medikament der Zukunft.

Quelle: Rockefeller University