SARS-CoV-2 может остановиться на ограниченном наборе мутаций.
Автор: Воан Купер (Vaughn Cooper) Ph.D., профессор эволюционной биологии и микробиологии в Питтсбургском университете, Школа медицины. Руководит Центром эволюционной биологии и медицины.
Без сомнения вы слышали о новых вариантах коронавируса, которые появляются по всему миру. Сейчас появилось более десятка версий SARS-CoV-2, которые вызывают разнообразную озабоченность, так как одни связаны с повышенной инфекционностью и летальностью, а другие - нет. Легко быть подавленным этим разнообразием и опасаться, что мы никогда не добьемся популяционного иммунитета. Тем не менее, растет число свидетельств того, что эти варианты имеют схожие комбинации мутаций. Возможно, это не будет войной по всем фронтам, которую многие боятся, с бесконечным количеством новых вирусных версий.
Я эволюционный микробиолог, который изучает, как бактерии и вирусы приспосабливаются к новым условиям или хозяевам. Как и многие микробиологи, мы с коллегами обратили наше внимание на понимание того, как SARS-CoV-2 развивает адаптацию к репликации и передаче у людей. Наш любимый лабораторный метод - это экспериментальная эволюция, при которой мы выращиваем несколько популяций микробов, начиная с одного и того же штамма в одинаковых условиях в течение недель или месяцев. Мы изучаем такие проблемы, как развитие резистентности к антибиотикам и хронизация инфекций. Сила этого метода заключается в том, что использование нескольких популяций позволяет нам "проигрывать ленту жизни" и изучать, насколько воспроизводимой и, в конечном счете, предсказуемой может быть эволюция.
Одна из закономерностей, которую мы видим, называется конвергентной эволюцией, когда одна и та же черта проявляется в различных независимых линиях с течением времени, обычно по мере их адаптации к схожим средам. К лучшим примерам конвергентной эволюции относятся песчаный цвет различных пустынных животных; лопастные плавники китов, моржей и ламантинов и даже способность человека переваривать лактозу во взрослом возрасте, которая несколько раз возникала в географически изолированных популяциях.
В случае SARS-CoV-2, полные геномные последовательности вирусов от тысяч пациентов позволяют нам искать конвергентные закономерности. В то время как большинство мутаций являются одноразовыми, исчезающими, некоторые устанавливают новые линии, которые становятся все более частыми по мере того, как вирус успешно реплицируется и инфицирует многих людей. Если одна и та же часть вируса многократно мутирует в различных образцах по всему миру и становится все более частой, эта мутация, скорее всего, кодирует адаптацию, которая помогает вирусу размножаться и передаваться.
Усиленное наблюдение за геномом коронавируса, описанное в нескольких недавних исследованиях, позволило выявить признаки конвергентной эволюции. Здесь, в США, наша лаборатория обнаружила, по крайней мере, семь генетически независимых линий, которые получили мутацию в одном конкретном месте в печально известном белке шипа вируса, который он использует для фиксации на человеческих клетках. Спайк имеет последовательность связанных аминокислот и мутация происходит в позиции под номером 677. В оригинальном SARS-CoV-2 это аминокислота глютамин, сокращенно Q.
В шести линиях этот Q мутировал в другую аминокислоту, гистидин (H), и называется 677H. В седьмой линии Q мутировал в другую аминокислоту, пролин (Р). Каждая линия также имеет мутацию под названием S:614G, которая была первым заметным изменением в вирусе, выявленным несколько месяцев назад и распространенным настолько широко, что в настоящее время встречается в 90% всех инфекций. Мы назвали эти семь американских линий в честь обыкновенных птиц - "малиновка", "пеликан" и т.д. - чтобы помочь нам различать и отслеживать их, а также чтобы избежать предвзятого отношения, называя их в честь тех районов, где они были впервые обнаружены. Линии за пределами США также приобрели 677H, в том числе в Египте, Дании, Индии и большой кластер в Македонии. Новый вариант, вызывающий озабоченность, под названием B.1.525, также имеет 677H, как и несколько линий, которые произошли от B.1.1.7, одной из первых тревожных версий, которая была замечена.
Возникновение мутаций S:6777 в глобальном масштабе и их пятикратное увеличение в распространенности является убедительным свидетельством того, что эти изменения должны каким-то образом улучшить вирусную жизнеспособность. Мы пока не знаем почему, но примечательно, что S:677 граничит с областью белка шипа, который помогает вирусу проникнуть в клетки человека и инфицировать их.
Это далеко не единственный пример конвергенции SARS-CoV-2. Мутации, по крайней мере в восьми различных позициях в белке шипа находятся одновременно на подъеме во всем мире, проявляясь в В.1.1.7 и в других основных вариантах, известных как В.1.351, Р.1 и Р.3. Эти варианты имеют общие комбинации мутаций в позициях 18, 69-70, 417, 452, 501, 681 и, в частности, мутации E484K, уклоняющейся от нейтрализующих антител.
По этой причине два ведущих научных сайта (http://covariants.org/ и http://outbreak.info ), которые отслеживают варианты, в настоящее время сообщают о них, определяя мутации для упрощения и консолидации нашего внимания. CDC и средства массовой информации медленно следят за важностью этих ключевых мутаций, но ситуация меняется, потому что именно эти изменения, вероятно, изменяют функции вируса, такие как контагиозность или способность уклониться от вакцин.
Можно представить этот тип конвергентной эволюции как игру Тетрис, где ограниченное количество строительных блоков может быть собрано разными способами, в разных комбинациях, для достижения одних и тех же выигрышных конструкций. Например, теперь известно, что комбинация мутаций в B.1.1.7 делает его особенно контагиозным, и что линия B.1.351 может уклоняться от антител из-за E484K.
Поскольку многие вновь открытые варианты, по-видимому, перетасовывают мутации, обнаруженные в других устоявшихся вариантах, можно предположить, что вирус начинает избегать новых, больших изменений. Но это не означает, что силы эволюции остановятся, когда мы начнем приближаться к популяционному иммунитету и ослабим ограничения. История говорит нам о том, что вирусы могут быстро эволюционировать, уклоняясь от барьеров на пути передачи, особенно когда инфекции остаются многочисленными.
Мы должны помнить о том, что чем больше инфекций, тем больше вероятность возникновения мутаций, а также о том, что те из них, которые лучше всего помогают вирусу выжить, будут распространяться. Вот почему остановить новые инфекции - ключ к успеху. Эти вирусные адаптации уже переписывают наши учебники по биологии на тему конвергентной эволюции; давайте постараемся ограничить новый материал.
Крайне важно также вложить значительные средства в создание системы раннего предупреждения для обнаружения новых вариантов SARS-CoV-2, а также многих других появляющихся патогенов, как известных, так и еще не обнаруженных. Ключевым моментом является наблюдение за вирусными геномами и их секвенирование. Причина, по которой многие варианты были обнаружены в Великобритании, заключается в дальновидных вложениях исследователей и чиновников здравоохранения в эти технологии.
В США значительный приток денег в CDC из нового федерального стимулирующего пакета уже увеличивает частоту, с которой исследователи могут анализировать образцы вирусов. Это должно быть поддержано путем создания экспертной и исследовательской инфраструктуры общественного здравоохранения для расшифровки генетических изменений вируса и прогнозирования потребности в будущих модификациях вакцины.
Именно фундаментальные науки дают надежду на победу в этой пандемии благодаря новым технологиям производства вакцин; и при постоянной поддержке они также станут нашим стражем от будущих угроз.
