Удивительная структура Омикрона объясняет, почему он невероятно заразенУдивительная структура Омикрона объясняет, почему он невероятно заразен
Специфические мутации прячут этот вариант COVID от иммунной системы и открывают ему новый путь в большее количество клеток.
По мнению экспертов Омикрон, вероятно, является самым быстро распространяющимся вирусом в истории человечества. В то время как один человек, зараженный вирусом кори - выдающимся среди инфекционных патогенов - может заразить 15 других в течение 12 дней, Омикрон переходит от человека к человеку так быстро, что один случай заболевания может вызвать 6 случаев уже через 4 дня, 36 случаев - через 8 дней и 216 случаев - через 12 дней. Согласно одному из прогнозов, к середине февраля Омикрон заразит до 40 % населения США, что значительно больше, чем 8 %, которые заболевают гриппом каждый сезон.
Когда в ноябре 2020 года был обнаружен вариант Альфа, ученые мало что знали о том, как несколько мутаций вируса повлияют на его поведение. Теперь, имея за плечами год знаний и данных, исследователи смогли связать некоторые из 50 или около того мутаций Омикрона с механизмами, которые помогли ему распространиться так быстро и эффективно. Обычно этот процесс расследования занимает гораздо больше времени, говорит Шрирам Субраманиам, биохимик из Университета Британской Колумбии. "Но мы изучали эти варианты в течение года, так что мы были готовы", - добавляет он.
Омикрон, включая его новый подвариант BA.2, содержит в два раза больше мутаций, чем другие варианты, вызывающие беспокойство. В его белке шипа имеется 13 мутаций, которые редко встречаются среди других вариантов. Эти изменения в анатомии наделили его новыми и удивительными способностями. Мы рассмотрим четыре способа физического изменения вируса. Три из этих изменений помогли вирусу обойти нашу иммунную систему и стать более заразным, а четвертое, возможно, привело к тому, что он стал вызывать более легкие заболевания.
Он замаскировался. Ученые приходят к консенсусу относительно того, что делает Омикрон таким трансмиссивным, и большинство доказательств указывает на один мощный механизм: среди вариантов Омикрон обладает беспрецедентной способностью скрываться от иммунной системы.
В процессе инфицирования похожий на кулак пучок аминокислот на вершине шипа коронавируса, называемый рецептор-связывающим доменом (RBD), цепляется за белок на внешней стороне человеческих клеток - рецептор ACE2. Чтобы предотвратить это злополучное присоединение, иммунная система создает антитела - Y-образные белки, индуцированные предыдущей инфекцией или вакцинацией, - которые распознают RBD и прилипают к нему, как липучка, мешая вирусу соединиться с ACE2.
В предыдущих вариантах мутировали одна, две или, может быть, три аминокислоты в RBD, изменяя каждый RBD настолько, чтобы предотвратить распознавание некоторыми, но не всеми антителами. Но Омикрон содержит 15 мутаций RBD, многие из которых находятся в основных местах связывания с антителами, образуя тщательно продуманную маскировку, позволяющую избежать гораздо большего количества антител. Как если бы вирус надел латексную маску в стиле "Миссия невыполнима", чтобы изменить свое лицо.
В недавнем анализе, опубликованном в журнале Science, Мэтью МакКаллум, биохимик из Университета Вашингтона вместе с руководителем своей лаборатории Дэвидом Вислером и коллегами продемонстрировали следствие этой драматической трансформации: только одно из восьми антител для лечения COVID, используемых в больницах - которые основаны на естественных антителах - по-прежнему связывается с RBD. Другие исследования показали, что мутации в RBD и втором участке, называемом N-концевым доменом, позволяют вирусу избегать антител, полученных в результате вакцинации или инфекции. Благодаря убедительной маскировке Омикрона мало что может замедлить его развитие, и он распространяется с молниеносной скоростью. Вакцины, однако, все еще защищают от серьезных заболеваний, особенно при повторных прививках.
Он стабилизировался. Когда Омикрон радикально изменил свой шип, чтобы скрыться от иммунной системы, эти изменения устранили некоторые химические остатки, необходимые шипу для присоединения к ACE2. Но другие мутации компенсировали это: RBD образовали новые химические мостики, чтобы по-прежнему эффективно связывать белок, говорится в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science. "Он явно потерял некоторые остатки, важные для связывания, но восполнил их за счет других взаимодействий", - говорит Субраманиам, ведущий автор работы.
Белок шипа также стал более прочным. В других вариантах две субъединицы шипа, S1 и S2, слабо связаны между собой. Это позволяет им быстро расщепляться, чтобы шип успел зарыться в человеческую клетку, когда вирус с ней столкнется. Однако недостатком этого тонкого механизма является то, что многие шипы расщепляются преждевременно, не успев приблизиться к клетке. Разделившись, шипы уже не могут помочь вирусу прикрепиться.
Мутации в Омикроне привели к образованию тонких молекулярных мостиков, которые лучше удерживают субъединицы вместе, согласно последним исследованиям, одно из которых опубликовано в Journal of Medical Virology, а другие выпущены в виде препринтов, или исследований, которые еще не были официально рассмотрены другими учеными. Этот вирус действительно защитил себя от преждевременного срабатывания", - говорит Шан-Лу Лю, автор одной из работ и директор программы "Вирусы и новые патогены" в Университете штата Огайо. "Когда вирус оказывается в нужном месте в нужное время, он может активироваться и попасть в клетку, но не раньше".
Он проскальзывает через "черный ход". У всех предыдущих вариантов была одна константа: вирус полагается на белок на поверхности человеческих клеток под названием TMPRSS2 (произносится как "tempress two"), чтобы помочь ему прорваться через клеточную мембрану. Но Омикрон не использует TMPRSS2. Он проникает в клетку совершенно другим путем. Вместо того чтобы ломать входную дверь, он проникает внутрь через заднюю. В то время как другие варианты требуют наличия белков ACE2 и TMPRSS2 для внедрения своего генома в клетку, Омикрон связывается только с ACE2. Затем он захватывается в полый пузырек, называемый эндосомой. Пузырек проникает в клетку, где вирус вырывается наружу и начинает захват.
Ученые предполагают, что таким образом Омикрон получает два возможных преимущества. Во-первых, многие клетки не имеют TMPRSS2 на своей внешней поверхности, поэтому если вирусу не нужен поверхностный белок, у него появляется более широкий выбор клеток для заражения. "В настоящее время существует гипотеза, что для вируса должно быть в 7 или даже в 10 раз больше клеток, если он проходит через эндосомы и не зависит от TMPRSS2", - говорит Венди Барклай, вирусолог из Имперского колледжа Лондона, чья группа, среди прочих, обнаружила новый путь проникновения, который описан в препринте.
Во-вторых, в то время как вариант Дельта часто опускается вниз, чтобы заразить клетки легких, богатые TMPRSS2, Омикрон быстро реплицируется в дыхательных путях над легкими, что, вероятно, помогает ему распространяться от человека к человеку. "Мы наблюдаем переход на верхние дыхательные пути, что способствует распространению вируса через кашель, чихание и тому подобное", - говорит Джо Гроув, вирусолог из Университета Глазго и соавтор препринта, в котором также было обнаружено изменение проникновения.
Он ослабил свою защиту. Последнее, четвертое изменение анатомии Омикрона не помогло сделать вариант более заразным, в отличие от первых трех. Вместо этого изменение создало удивительную слабость, сделав вариант более уязвимым для части нашей защитной системы организма, известной как врожденная иммунная система.
Ученые изучили реакцию Омикрона и Дельты на интерфероны, которые действуют подобно сигнальным огням, предупреждающим клетки врожденного иммунитета о вторжении. Дельта мастерски подавлял реакцию интерферона, но Омикрон был ужасен. Он фактически активировал сигналы интерферона.
Исследователи пока не знают, как произошло это изменение. По меньшей мере 11 из 26 белков коронавируса взаимодействуют с системой интерферона, и многие из них мутировали в Омикроне. Но даже не зная точного механизма, ученые могут видеть последствия этого изменения.
Поскольку легкие характеризуются более выраженной реакцией на интерферон, чем верхние дыхательные пути, уязвимость Омикрона к этой реакции может препятствовать его распространению на более глубоко расположенные органы. "То, что мы видим, имеет биологический смысл", - говорит Мартин Михаэлис, биолог из Кентского университета в Англии, который проанализировал взаимодействие Омикрона с интерфероном в работе, опубликованной в журнале Cell Research. "Омикрон, похоже, менее способен проникать дальше в организм и в легкие, вызывая тяжелые заболевания".
Хотя воздействие Омикрона на все население не является незначительным - включая гигантский всплеск госпитализаций и смертей и рекордное число госпитализированных детей - новый вариант, похоже, вызывает менее тяжелое заболевание у некоторых инфицированных людей, а также в моделях на животных. Однако те, кто не вакцинирован или имеет другие факторы риска, по-прежнему подвержены значительному риску тяжелых симптомов и летального исхода.
В ближайшие месяцы, вероятно, будут выявлены дополнительные механизмы, лежащие в основе необычного поведения этого варианта. "Картина всегда развивается с течением времени, - говорит Михаэлис. И будущие варианты, когда они появятся, могут иметь еще и другие модификации". "Я не уверен, что мы можем почивать на лаврах и говорить, что все закончилось", - говорит Барклай.
"Поскольку инфекции продолжают распространяться и эволюционировать среди многих популяций по всему миру, вирус будет придумывать все новые способы передачи - в том числе и такие, о которых ученые еще даже не догадываются".
