Поиск генов, определяющих тяжелое течение COVID
Исследования генома позволили обнаружить некоторые генетические факторы риска заболевания и могут указать на способы лечения.
С марта прошлого года исследовательские группы по всему миру изучили геномы более 100 000 людей с COVID-19 в надежде найти генетические подсказки того, кто больше всего пострадает от инфицирования вирусом SARS-CoV-2. В результате этих усилий было выявлено около дюжины генетических вариантов, которые имеют сильную статистическую связь с возможностью развития тяжелой формы заболевания, сообщается в сводном анализе, опубликованном 8 июля в журнале Nature.
"На самом деле было довольно много очень распространенных генетических вариантов, которые действительно имеют значение для COVID-19", - говорит Гийом Батлер-Лапорт, врач-инфекционист и генетический эпидемиолог из Университета Макгилла в Монреале, Канада. "Но я не ожидал, что мы обнаружим их так достоверно".
В анализ были вовлечены как академические лаборатории, так и частные фирмы, такие как американские компании 23andMe и AncestryDNA, и в течение последнего года они постоянно публиковали результаты своей работы. Под общим названием COVID-19 Host Genetics Initiative (HGI), они впервые опубликовали свои сводные данные - объединение 46 отдельных исследований, охватывающих почти 50 000 человек с COVID-19 - на сервере препринтов medRxiv в марте.
Обнаруженные ими генетические ассоциации повышают риск на относительно небольшую величину, хотя некоторые из показателей повышения сравнимы с таковыми для таких факторов риска, как ожирение, диабет и другие сопутствующие заболевания (см. "Генетические варианты, изменяющие риск COVID-19").
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ, ИЗМЕНЯЮЩИЕ РИСК ЗАБОЛЕВАНИЯ КОВИДОМ-19
Host Genetics Initiative обнаружила более десятка участков генома, которые статистически связаны с восприимчивостью к инфекции SARS-CoV-2 или тяжелой формой заболевания.
*В сводке HGI оценки риска даны для людей с одной копией аллеля, повышающего риск для данного варианта, и они были определены в группах с различными критериями отбора, поэтому могут быть несопоставимы. Другие исследования дают иные оценки.
Полученные результаты могут пролить свет на биологические механизмы развития болезни и подсказать, какие лекарственные препараты следует испытывать, говорит Кеннет Бейли, врач-реаниматолог и генетик из Эдинбургского университета (Великобритания). В других исследованиях ученые также выявили редкие генетические мутации - в отличие от относительно распространенных вариантов, перечисленных в последнем исследовании HGI, - которые также могут объяснить первопричины тяжелой формы заболевания.
Пациенты с COVID-19 в отделении интенсивной терапии в Эль-Сентро, Калифорния. Credit: Melina Mara/The Washington Post/Getty
Не все убеждены, что генетические исследования дают немедленное понимание. "Мы начинаем получать довольно хорошую генетическую карту", - говорит Джулиан Найт, генетик из Оксфордского университета, Великобритания. "Но возможность перейти от этого к получению хороших терапевтических мишеней или пониманию вариабельности болезни требует времени". По его словам, это типичная проблема для исследований, которые пытаются связать общие вариации в геноме с риском развития заболеваний у людей.
А Кари Стефанссон, руководитель компании deCODE Genetics в Рейкьявике и член HGI, не считает, что работа по поиску генетических "хитов" была особенно плодотворной - по крайней мере, пока. Тем не менее, Стефанссон говорит: "Я считаю, что очень важно отслеживать как можно больше таких случаев. Возможно, удастся найти механизм, имеющий большое значение".
Хотя у генетиков еще нет ответов на все вопросы, они очень быстро продвинулись в изучении ассоциаций с COVID-19, говорит Брент Ричардс, генетик и эндокринолог из Университета Макгилла, участвующий в HGI. "В этом году сообщество генетиков человека почти не спало", - говорит он.
Генетические хиты COVID-19
HGI работал не столько как консорциум, сосредоточенный на одном объединяющем проекте, сколько как информационный центр для сотрудничества, поддержки и консультаций. Группы могли свободно публиковать свои собственные исследования, одновременно внося вклад в совместные исследования, объединяющие индивидуальные усилия. "Это был просто вопрос создания места, где люди чувствовали бы себя комфортно и работали вместе", - говорит Андреа Ганна, генетик-статистик, соучредитель HGI совместно с генетиком Марком Дейли; оба они работают в Хельсинкском университете и Бродском институте в Кембридже, штат Массачусетс.
Ганна является специалистом в области широкогеномных ассоциативных исследований (GWAS) - хлеба и масла генетической эпидемиологии. В них изучаются сотни тысяч относительно распространенных однобуквенных различий ДНК в геноме у большого числа людей, для определения того, увеличивается ли их количество у людей с определенным заболеванием или синдромом. Было неизбежно, что люди будут применять GWAS для исследования COVID-19, говорит Ганна.
Один из геномных вариантов, выявленный группой Бейли и подтвержденный в других исследованиях HGI, находится рядом с семейством противовирусных генов под названием OAS (олигоаденилат синтаза). Эти гены активируют ферменты, которые расщепляют вирусную РНК, и исследования HGI показали, что вариант, который приводит к снижению циркулирующего уровня фермента OAS1 в легких, повышает риск инфекции, госпитализации и критических проявлений болезни.
Большинство коронавирусов противодействуют этой защите с помощью белков, называемых PDEs, или фосфодиэстеразами, но SARS-CoV-2 не производит PDEs. Это может стать "ахиллесовой пятой", - объясняет Ричардс, который знает о фармацевтических компаниях, которые работают над этой мишенью, но отказывается раскрывать подробности. По словам Бейли, на основании этой генетической ассоциации можно предположить, что препараты, известные как ингибиторы фосфодиэстеразы 12, усилят естественную противовирусную защиту.
Другой вариант, обнаруженный группой Бейли и подтвержденный в других исследованиях COVID-19 GWAS, находится рядом с геном, который кодирует часть клеточного рецептора для интерферонов, которые усиливают иммунный ответ людей на вирусы. В связи с этой противовирусной ролью один вид молекул интерферона уже был протестирован в ходе испытаний, прежде чем была обнаружена эта генетическая связь.
Это был один из первых препаратов, включенных в спонсируемое Всемирной организацией здравоохранения испытание "Солидарность" по лечению COVID-19, но он не помог пациентам. Возможно, что генетический прогноз был неверным, говорит Бейли, но может быть и так, что интерферон нужно было вводить на более ранних стадиях инфекции или использовать другой способ, отличный от подкожных или внутривенных инъекций, которые получали участники испытания Solidarity.
Бейли также говорит, что другие генетические ассоциации теперь используются для определения приоритетов в лечении. Один из примеров - широко известное в Великобритании испытание RECOVERY, которое наиболее знаменито тем, что показало пользу обычного стероида для людей с тяжелой формой COVID-19. По словам Бейли, который принимает участие в этом проекте, генетические данные помогают выбрать препараты для испытаний - в том числе препарат для лечения ревматоидного артрита под названием барицитиниб и средство для лечения псориаза и рассеянного склероза под названием диметилфумарат.
Барицитиниб ингибирует белок, кодируемый геном TYK2, который ассоциировался с опасным для жизни COVID-19. Взаимосвязь между активностью TYK2 и риском развития тяжелой формы COVID-19 не прояснена генетическими исследованиями, "но это дало большой дополнительный источник поддержки этой идеи", - говорит Бейли. Диметилфумарат был включен в исследование в основном из-за его известной роли в подавлении воспалительного процесса, вовлеченного в тяжелый COVID-19, но генетические связи обеспечили дополнительную поддержку для испытания этого препарата в RECOVERY, говорит Бейли.
GWAS, однако, также имеют репутацию источника результатов, вызывающих недоумение. Так произошло и с COVID-19: самая сильная ассоциация между любым вариантом гена и тяжелой формой COVID-19 лежит в малоизученном регионе хромосомы 3.
"Мы, как научное сообщество, до сих пор не совсем понимаем значение этого региона",
- говорит Батлер-Лапорт. Регион хромосомы 3 включает несколько генов, вовлеченных в иммунную сигнализацию, биологию легких и другие вероятные механизмы. Но неясно, какой из этих генов ассоциирован с COVID-19.
Люди, являющиеся носителями вариантов этих генов, примерно в два раза чаще, чем другие, попадают в больницу с COVID-19. Исследование под руководством Ричардса, Ганны и Томоко Наканиши, генетика и респираторного врача из МакГилл, показало, что эти варианты повышает вероятность того, что люди в возрасте 60 лет или моложе могут заболеть или умереть от COVID-19 в такой же степени, а возможно, даже в большей, как это происходит при наличии таких факторов риска, как диабет, ожирение и хроническая обструктивная болезнь легких.
Показатели риска
В результате некоторые исследователи изучают возможность использования генетических связей, обнаруженных GWAS, для прогнозирования индивидуального риска возникновения опасной для жизни формы SARS-CoV-2. Баллы риска, которые объединяют ассоциации, обнаруженные GWAS, используются для оценки риска таких заболеваний, как диабет 2 типа, различные виды рака и сердечно-сосудистые заболевания.
Но неясно, может ли такой подход сработать в отношении COVID-19 - и нужен ли он вообще, учитывая наличие вакцин. В июне фирма из Фицроя, Австралия, под названием Genetic Technologies выпустила тест стоимостью 175 долларов США для прогнозирования риска развития у людей тяжелой формы COVID-19. Но тест также зависит от возраста, пола и состояния здоровья - факторов, которые значительно повышают предсказательную эффективность ассоциаций, выявленных GWAS.
Этот тест, который был разработан и проверен с использованием информации из базы данных UK Biobank, может быть наиболее полезен для людей среднего возраста. У большинства из них риск развития тяжелой формы COVID-19 относительно невелик, но тест может выявить тех редких людей, у которых шансы развития опасной для жизни инфекции значительно возрастают (или резко снижаются). В настоящее время тест доступен только в США и при условии консультации с врачом. Тем не менее, Genetic Technologies ведет переговоры с компаниями, заинтересованными в предоставлении теста своим сотрудникам.
Наканиши, Ричардс и Ганна говорят, что неясно, был ли тест достаточно проверен на достоверность, но это не означает, что такие тесты не могут быть полезны в качестве еще одной мотивации для людей с повышенной степенью риска для прохождения вакцинации. "Это может заставить некоторых людей преодолеть опасения [по поводу вакцинации]", - добавляет биостатистик Genetic Technologies Джиллиан Дайт.
Генетические исследования COVID-19 - как и генетические исследования большинства других заболеваний - в подавляющем большинстве случаев проводились на людях европейского происхождения. Это проблема, говорит Найт, так как COVID-19 распространен во всем мире, а уровень заболеваемости среди этнических меньшинств в таких странах, как США и Великобритания, выше. "Нам необходимо инвестировать в генетику этих групп населения".
Диверсификация генетических исследований может не только улучшить понимание вариантов риска, выявленных в европейских популяциях, но и выявить новые варианты в других группах. GWAS более 2000 человек, госпитализированных с COVID-19 в Японии, выявил многие варианты, отмеченные в исследованиях европейских популяций, а также иммунный ген DOCK2, играющий роль в выработке интерферона, который не был обнаружен в других исследованиях. Вариант DOCK2, повышающий риск COVID-19, был относительно распространен среди жителей Восточной Азии, но очень редко встречался у людей европейского, южноазиатского и африканского происхождения. "Это говорит нам о важности увеличения разнообразия изучения генетики носителей COVID-19", - говорит руководитель исследования Юкинори Окада, генетик-статистик из Университета Осаки в Японии.
Редкие мутации
Некоторые исследователи считают, что подход GWAS, в рамках которого были найдены распространенные варианты, повышающие риск индивидуума лишь на небольшую величину, менее плодотворен, чем выявление гораздо более редких мутаций, которые могут объяснить, почему некоторые здоровые в других отношениях люди находятся в реанимации с COVID-19.
Так считает Жан-Лоран Казанова, генетик из Университета Рокфеллера в Нью-Йорке. Он возглавляет консорциум COVID Human Genetic Effort, который в сентябре 2020 года сообщил об обнаружении мутаций у людей с тяжелой формой COVID-19, мутаций которые отключают гены, участвующие в мощном противовирусном ответе - интерфероновом иммунитете 1 типа. (Один из генов, в котором они обнаружили мутации, IFNAR2, кодирует субъединицу рецептора интерферона, также был отмечен в многочисленных GWAS).
Мутации, выявленные группой Казановы, были редкими, но в последующем исследовании ученые обнаружили, что у 10% людей с опасным для жизни формами COVID-19 вырабатываются антитела, которые инактивируют интерфероны 1 типа - повторяя эффект генных мутаций. Казанова говорит, что его группа обратила на них внимание только после выявления генетических мутаций, что подчеркивает силу его подхода, указывающего на новые направления исследований. "По сути, мы раскрыли механизм развития критической пневмонии COVID-19", - говорит он.
Редкие мутации с серьезными последствиями - это "отличный инструмент для раскрытия механизмов болезни", - говорит Акико Ивасаки, иммунолог из Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, чья группа изучает роль аутоантител в тяжелой форме COVID-19. Эффекты типичных вариантов, выявленных GWAS, могут быть более тонкими, добавляет она, но непредвзятый способ их выявления означает, что эти результаты могут подтвердить выводы других дисциплин, например, иммунологии. "Это объясняет некоторые вещи, которые мы наблюдаем", - говорит она. "Мне нравится этот аспект".
Ричардс входит в состав группы, которая пытается повторить генетический результат Казановы, но пока безуспешно. Он и его коллеги обнаружили, что мутации в 13 генах интерферона 1 типа встречались у почти 2000 человек с COVID-19 не более часто, чем в контрольной группе, что повторяет выводы исследования, проведенного учеными из биотехнологической компании Regeneron в Тарритауне, Нью-Йорк, которые изучили гены, кодирующие белки, у более чем полумиллиона участников UK Biobank. Это не означает, что механизмы интерферона 1 типа не важны, говорит Ричардс, и он согласен с тем, что связь с аутоантителами выглядит многообещающей.
Алессандра Реньери, генетик из Университета Сиены, Италия, и одна из первых участниц HGI, говорит, что результаты GWAS должны быть интегрированы с редкими мутациями и другими формами генетического разнообразия, если исследователи хотят полностью понять восприимчивость к COVID-19 и разработать методы лечения. Она является членом группы, которая подала заявку на получение разрешения итальянских регулирующих органов на тестирование терапии, основанной на генетических результатах.
Например, они хотят испытать адъювант (стимулирующий иммунную систему) на людях с редкими мутациями, у которых отключен ген TLR7, определяющий вирусы, что может быть связано с тяжелой формой COVID-19. Кроме того, исследователи хотят проверить, может ли тестостерон предотвратить угрожающий жизни COVID-19 у мужчин с распространенной вариацией гена, кодирующего рецептор для этого гормона, после того, как была обнаружена связь между тяжелым COVID-19 и вариантами генов, связанных с пониженным уровнем тестостерона, циркулирующего в крови.
Успех таких исследований не должен быть единственным параметром, по которому можно судить о плодах генетических исследований COVID-19, говорят исследователи. Многие вирусологи опираются на результаты генетических исследований, чтобы разобраться в своих собственных экспериментах с вирусом. А такие загадочные ассоциации, как связь с хромосомой 3, могут позволить сделать важные открытия, которые помогут в терапии COVID-19 - и любого другого заболевания, вызванного следующим новым коронавирусом.
Каждая новая генетическая находка - это как кусочек головоломки, говорит Реньери. " Сейчас несколько кусочков собираются вместе. Я уверен, что в самом ближайшем будущем картина станет гораздо более ясной".
