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Metagenomik bei neu auftretenden Virusinfektionen - Integration der Transkriptionsreaktionen von Nicht-Wirt und Wirt
Übersicht
Neu auftretende Virusinfektionen stellen nach wie vor eine erhebliche Gefahr für die öffentliche Gesundheit dar, und ihre frühzeitige Erkennung ist für eine wirksame Eindämmung und Behandlung von entscheidender Bedeutung. Herkömmliche Diagnosemethoden sind zwar fortschrittlich, reichen jedoch häufig nicht aus, um neue oder sehr unterschiedliche Krankheitserreger zu erkennen – insbesondere in den frühen Stadien der Infektion oder wenn der Erreger nicht in leicht zugänglichen Proben vorhanden ist. Die metagenomische Next-Generation-Sequenzierung (mNGS), insbesondere RNA-Seq, bietet eine vielversprechende Lösung, da sie eine unverfälschte Erkennung von Transkripten von Krankheitserregern und eine gleichzeitige Analyse der Genexpression des Wirts ermöglicht. Diese doppelte Fähigkeit ist besonders nützlich bei akuten Infektionen, bei denen es zu einer starken Vermehrung von Krankheitserregern kommt, sowie zur Identifizierung von Reaktionsmustern des Wirts, die selbst bei Fehlen von nachweisbarem genetischem Material des Krankheitserregers auf eine Infektion hindeuten können.
Dieses Projekt baut auf vorhandenem Fachwissen in den Bereichen Virusgenomik und Metagenomik auf, um die Erkennung von Krankheitserregern zu verbessern und Infektionen von anderen Entzündungserkrankungen zu unterscheiden. Ein wichtiges Ziel ist es, Daten zu Krankheitserregern mit Signaturen der Wirtsreaktion zu kombinieren, um einen genaueren diagnostischen Fingerabdruck zu erstellen, der dabei hilft, aktive Infektionen von zufälliger Besiedlung zu unterscheiden. Das Projekt wird auch die Verwendung kurzer Wirtsgenexpressionssignaturen zur Unterscheidung zwischen viralen und bakteriellen Infektionen sowohl im systemischen als auch im lokalen Kontext, beispielsweise bei Proben aus den Atemwegen oder der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit, evaluieren.
Darüber hinaus zielt es darauf ab, wirtsspezifische Reaktionsmuster für bestimmte Virusfamilien zu entwickeln, wie beispielsweise die Arenaviridae. Alle Ergebnisse werden in die bestehende DAMIAN-Pathogen-Pipeline integriert, um diese fortschrittlichen Diagnosewerkzeuge einer breiteren Forschungs- und Klinikgemeinschaft zugänglich zu machen. Letztendlich zielt diese Arbeit darauf ab, eine frühzeitigere und genauere Erkennung bekannter und unbekannter Krankheitserreger, einschließlich des hypothetischen „Krankheitserregers X“, zu ermöglichen, indem sowohl Wirts- als auch Krankheitserregerdaten genutzt werden.
Unsere Arbeitspakete (engl.: Work packages, WP):
WP01: Identifizierung von Viren anhand von Sequenz- und Strukturinformationen – DAMIAN 2.0
Wir untersuchen, wie die Viruserkennung verbessert werden kann, indem wir die Vorhersage der RNA-Sekundärstruktur (ScanFold) und die Proteinstrukturmodellierung (AlphaFold/ESMFold) in die DAMIAN-Pipeline integrieren, um Virusfamilien über die primäre Sequenzähnlichkeit hinaus zu identifizieren.
WP02: Identifizierung einer gemeinsamen Wirtsreaktionssignatur in verschiedenen diagnostischen Proben
Wir untersuchen, ob kleine Wirtsgenexpressionssignaturen zwischen viralen und bakteriellen Infektionen in verschiedenen Probentypen wie Liquor, BAL und Blut unterscheiden können.
WP03: Identifizierung und Validierung von LASV- und Filovirus-spezifischen Signaturen der Wirtsantwort
Wir untersuchen, ob Transkriptomdaten des Wirts verwendet werden können, um virusspezifische Muster der Immunantwort zu definieren und zu validieren, wobei wir LASV als Modell verwenden.
Mit diesen Arbeitspaketen wollen wir eine umfassende Strategie für die frühzeitige und sequenzunabhängige Erkennung von Virusinfektionen und pathogen-spezifischen Wirtsreaktionen entwickeln.
Das Team
Prof. Dr. Nicole Fischer
Projektleiterin
E-Mail:
Telefon: +49 (0) 40 7410 - 55171
Institut für Molekulare Virologie und Tumorvirologie (MVTV)
Das Institut für Molekulare Virologie und Tumorvirologie unter der Leitung von Prof. Dr. Fischer hat seinen Sitz am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf.
Projektbezogene Publikationen
Heyer A, Gunther T, Robitaille A, …, Addo MM, …, Schulze zur Wiesch J, Fischer N#, Grundhoff A#. Remdesivir-induced emergence of SARS-CoV-2 variants in patients with prolonged infection. Cell Rep Med. 2022;3(9):100735. doi: 10.1016/j.xcrm.2022.100735
Pfefferle S, Gunther T, Kobbe R, …, Aepfelbacher M#, Knobloch J#, Lütgehetmann M#, Fischer N#. SARS Coronavirus-2 variant tracing within the first Coronavirus Disease 19 clusters in northern Germany. Clin Microbiol Infect. 2021;27(1):130.e5–130.e8. doi: 10.1016/j.cmi.2020.09.034
Gunther T, Czech-Sioli M, Indenbirken D, …, Fischer N#, Grundhoff A#, Brinkmann M#. SARS-CoV-2 outbreak investigation in a German meat processing plant. EMBO Mol Med. 2020;12(12):e13296. doi: 10.15252/emmm.202013296
Czech-Sioli M, Gunther T, Therre M, …, Becker J, Grundhoff A#, Fischer N#. High-resolution analysis of Merkel Cell Polyomavirus in Merkel Cell Carcinoma reveals distinct integration patterns and suggests NHEJ and MMBIR as underlying mechanisms. PLoS Pathog. 2020;16(8):e1008562. doi: 10.1371/journal.ppat.1008562
Siebels S, Czech-Sioli M, Spohn M, …, Indenbirken D, Grundhoff A, Fischer N. Merkel Cell Polyomavirus DNA Replication Induces Senescence in Human Dermal Fibroblasts in a Kap1/Trim28-Dependent Manner. mBio. 2020;11(2):e00142-20. doi: 10.1128/mBio.00142-20
Alawi M, Burkhardt L, Indenbirken D, …, Lütgehetmann M, Aepfelbacher M, Fischer N#, Grundhoff A#. DAMIAN: an open source bioinformatics tool for fast, systematic and cohort based analysis of microorganisms in diagnostic samples. Sci Rep. 2019;9(1):16841. doi: 10.1038/s41598-019-52881-4
Postel A, Meyer D, Cagatay GN, …, Fischer N, …, Sun H, Wendt M, Becher P. High Abundance and Genetic Variability of Atypical Porcine Pestivirus in Pigs from Europe and Asia. Emerg Infect Dis. 2017;23(12):2104–2107. doi: 10.3201/eid2312.170951
Baechlein C#, Fischer N#, Grundhoff A, …, Beineke A, Rehage J, Becher P. Identification of a Novel Hepacivirus in Domestic Cattle from Germany. J Virol. 2015;89(14):7007–7015. doi: 10.1128/JVI.00534-15
Fischer N#, Indenbirken D, Meyer T, …, Aepfelbacher M, Alawi M, Grundhoff A#. Evaluation of Unbiased Next-Generation Sequencing of RNA (RNA-seq) as a Diagnostic Method in Influenza Virus-Positive Respiratory Samples. J Clin Microbiol. 2015;53(7):2238–2250. doi: 10.1128/JCM.02495-14
Fischer N#, Rohde H, Indenbirken D, …, Gunther T, Aepfelbacher A, Grundhoff A#. Rapid metagenomic diagnostics for suspected outbreak of severe pneumonia. Emerg Infect Dis. 2014;20(6):1072–1075. doi: 10.3201/eid2006.131526
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