Еволюція грипу: як вчені використовують послідовність геномів для прогнозування майбутнього

Еволюція, як правило, дуже повільна, це процес змін, який потребує тисяч або мільйонів років.

Але для грипу еволюція швидка - і смертельна. Віруси грипу швидко змінюються, щоб уникнути захисту організму. Кожні кілька років з'являються нові варіанти грипу і викликають епідемії в усьому світі.

Контроль над поширенням грипу означає боротьбу з цією еволюцією. Щороку фахівці Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ) повинні краще здогадуватися про те, як змінюватиметься вірус, щоб вибрати, які штами грипу будуть включені до щорічної вакцини.

Ця робота складна і невизначена, і помилки мають реальні наслідки. У всьому світі грип щороку заражає кілька мільйонів людей і викликає сотні тисяч смертей. У роки, коли прогноз пропускає оцінку, а постріл на грип сильно відрізняється від циркулюючих штамів, більше людей є вразливими до інфекції.

Протягом останніх кількох років успіхи в секвенуванні генома почали проливати світло на початок вірусної еволюції, глибоко в межах індивідуальних інфекцій. Ми замислювалися, чи може ця інформація, по відношенню до грипу, дати нам швидкий погляд на майбутні глобальні еволюційні тенденції.

Що може повідомити інфекція грипу однієї людини про те, як вірус змінюється в усьому світі? Як виявляється, дивовижна кількість.

Дивлячись глибоко всередині інфекції

Кожен крок еволюції грипу починається з помилки. Оскільки віруси копіюють себе в інфікованій людині, вони іноді мутують, створюючи невеликі зміни в їх генетичному проекті.

Більшість мутацій є шкідливими для вірусу, тому що вони порушують механізм, необхідний для функціонування. Але часто кожен мутантний вірус виживає і навіть процвітає. Віруси грають постійну гру кішки-миші з імунною системою людини. Іноді вірус-мутант може бути достатньо іншим, щоб уникнути повідомлення організму.

Мутантний вірус, що володіє таким перевагою, може швидко розмножуватися і переважатиме інфекцію. Зрештою, вона може навіть поширюватися від людини до людини, а звідти починати поширюватися по всьому світу.

Останнім часом стало легше відстежувати, як віруси змінюються в людському тілі. Такі ж досягнення, які зробили його дешевим і легким для послідовності людських геномів, змінюють те, як ми вивчаємо віруси. Для того, щоб витрати на секвенування єдиного геному людини, ми можемо послідовність тисяч вірусів з усієї інфекції для відстеження нових мутацій, як вони виникають.

Ці мутації можуть показати нам, як вірус реагує на складні середовища в організмі людини. Для ВІЛ, де інфекції часто тривають останні роки або навіть десятиліття, еволюція може бути значною, навіть у межах однієї людини. Зокрема, віруси часто розвиваються стійкістю до лікарських засобів у відповідь на антивірусне лікування.

Відстеження еволюції грипу в 4 довгих інфекціях

Нещодавно ми відстежували еволюцію вірусів у чотирьох онкологічних хворих, які тривали декілька місяців. Більшість захворювань на грип тривають близько тижня, що обмежує кількість змін, які можуть відбутися. Але у хворих зі слабкою імунною системою інфекції можуть тривати довго, з сильними наслідками.

Як змінився грип у цих довгих інфекціях? Виділяючи віруси з різних часів під час інфекції та порівнюючи їх геноми, ми змогли виявити нові мутації та відстежити їхні долі.

Еволюція діяла протягом декількох тижнів. Одним з яскравих прикладів стало опір Таміфлю. Пацієнти, які ми вивчали, приймали препарат для контролю інфекцій. Але, як і в попередніх дослідженнях, зрештою з'явилися віруси, які перенесли мутації стійкості до наркотиків. Ці мутації можуть частково пояснити, чому інфекції тривали так довго.

Мутації стійкості до ліків не були єдиними еволюційними змінами, які ми бачили. Півдюжини мутантних вірусів, які лише трохи відрізняються один від одного, іноді одночасно конкурують в одній людині.

Ці конкуруючі віруси зробили еволюцію складною справою. Мутація, яка почала розповсюджуватися на тиждень, іноді зникає. Мабуть, вона була витіснена ще кращою мутацією.

У деяких випадках ми виявили точно такі ж мутації у вірусів у різних пацієнтів у нашому дослідженні, хоча можна було сказати, що пацієнти не інфікували один одного. Ми дуже рідко очікуємо, що подібне подібне відбудеться через випадковість. Віруси, можливо, потрапили до подібних адаптацій у відповідь на еволюційні виклики. Деякі з цих мутацій могли допомогти вірусу уникнути імунної системи, повторюючи інші дослідження.

Прогнозування майбутнього

Більше того, багато мутацій у цих пацієнтів відповідали мутаціям, які пізніше поширилися по всьому світу. У шипах зовнішнього пальто грипу, які допомагають вірусу входити в клітини-господарі, мутація N225D з'явилася у трьох з чотирьох пацієнтів у нашому дослідженні. До 2015 року, приблизно через 8 років після того, як наші пацієнти були інфіковані, більшість вірусів грипу в усьому світі змінювалися точно так само.

Для нас це було несподівано. Еволюція сповнена компромісів, і деякі мутації, які допомагають пристосуватися до грипу, можуть уповільнити її передачу від людини до людини. Ми також не знали, чи відбудеться еволюція таких незвичайно довгих грипових інфекцій, як зміни в усьому світі.

Але в нашому дослідженні еволюція грипу в окремих людей виявила вражаючу схожість з еволюцією в усьому світі. Ми могли бачити натяки на деякі глобальні еволюційні тенденції в межах лише кількох осіб.

Оскільки технології продовжують покращуватися, стає легше виглядати глибоко всередині грипу, як ми. Лабораторії ВООЗ щорічно перевіряють штами грипу від тисяч людей для моніторингу еволюції грипу. Дослідники секвенують все більше і більше штамів у спосіб, що дозволяє нам ловити мутації, коли вони вперше виникають в окремих людей.

Кожна з цих тисяч інфекцій подібна до окремого еволюційного експерименту. Порівнюючи мутації, що з'являються при різних інфекціях, ми можемо отримати відчуття еволюційних можливостей і обмежень.

Десь у цьому напрямку така інформація може допомогти прогнозувати еволюцію грипу. Наразі, принаймні, це розкриття деяких динамічних процесів еволюції, які відбуваються в кожному з нас.

Ця стаття була спочатку опублікована на бесіді Кетрін Сюе і Джессі Блум. Читайте оригінальну статтю тут.