Эволюция гриппа: как ученые используют секвенирование генома, чтобы предсказать будущее

Эволюция, как правило, очень медленная, процесс изменений, который занимает тысячи или миллионы лет.

Но для гриппа эволюция быстрая и смертельная. Вирусы гриппа быстро изменяются, чтобы избежать защитных сил организма. Каждые несколько лет появляются новые варианты гриппа, которые вызывают эпидемии во всем мире.

Контролировать распространение гриппа означает бороться с этой продолжающейся эволюцией. Каждый год эксперты Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) должны делать свои предположения о том, как изменится вирус, чтобы выбрать, какие штаммы гриппа следует включать в ежегодную вакцину.

Эта работа сложна и неопределенна, а ошибки имеют реальные последствия. Во всем мире грипп поражает несколько миллионов человек каждый год и приводит к гибели сотен тысяч человек. В годы, когда прогнозы не достигают цели и прививка от гриппа сильно отличается от циркулирующих штаммов, все больше людей становятся уязвимыми для инфекции.

В последние несколько лет достижения в секвенировании генома начали проливать свет на начало вирусной эволюции, глубоко внутри отдельных инфекций. Мы задались вопросом, может ли эта информация о гриппе дать нам представление о будущих глобальных эволюционных тенденциях.

Что может сказать нам инфекция гриппа одного человека о том, как вирус меняется по всему миру? Как оказалось, удивительная сумма.

Глядя вглубь инфекции

Каждый шаг в развитии гриппа начинается с ошибки. Поскольку вирусы копируют себя в зараженном человеке, они иногда видоизменяются, создавая небольшие изменения в их генетической схеме.

Большинство мутаций вредны для вируса, потому что они нарушают механизм, который ему необходим для функционирования. Но иногда вирус-мутант выживает и даже процветает. Вирусы постоянно играют в кошки-мышки с иммунной системой человека. Иногда вирус-мутант может быть достаточно отличным, чтобы не замечать организм.

Мутантный вирус с таким преимуществом может быстро размножаться и доминировать над инфекцией. В конце концов, он может даже распространяться от человека к человеку, и оттуда начать распространяться по всему миру.

В последнее время стало легче отслеживать, как вирусы изменяются в организме человека. Те же самые достижения, которые сделали его дешевым и простым для последовательности человеческих геномов, меняют то, как мы изучаем вирусы. За счет секвенирования одного человеческого генома мы можем упорядочить тысячи вирусов по всей инфекции, чтобы отслеживать новые мутации по мере их возникновения.

Эти мутации могут показать нам, как вирус реагирует на сложные условия внутри человеческого организма. Для ВИЧ, где инфекции часто длятся годами или даже десятилетиями, эволюция может быть существенной, даже в пределах одного человека. В частности, вирусы часто развивают лекарственную устойчивость в ответ на противовирусное лечение.

Отслеживание эволюции гриппа в 4 длительных инфекциях

Недавно мы отслеживали вирусную эволюцию у четырех больных раком, у которых грипп продолжался несколько месяцев. Большинство инфекций гриппа длятся около недели, что ограничивает количество возможных изменений. Но у пациентов со слабой иммунной системой инфекции могут продолжаться длительное время с серьезными последствиями.

Как грипп изменился в течение этих длительных инфекций? Секвенируя вирусы разных времен во время заражения и сравнивая их геномы, мы смогли выявить новые мутации и отследить их судьбу.

Эволюция действовала в считанные недели. Одним из ярких примеров было сопротивление Тамифлю. Пациенты, которых мы изучали, принимали препарат, чтобы контролировать свои инфекции. Но, как и в предыдущих исследованиях, вирусы, несущие мутации лекарственной устойчивости, в конечном итоге появились. Эти мутации могут частично объяснить, почему инфекции продолжались так долго.

Мутации лекарственной устойчивости были не единственными эволюционными изменениями, которые мы видели. Полдюжины мутантных вирусов, лишь немного отличающихся друг от друга, иногда конкурируют одновременно в одном человеке.

Эти конкурирующие вирусы сделали эволюцию сложным делом. Мутация, которая начала распространяться через одну неделю, иногда исчезнет на следующей. Предположительно, это было вытеснено еще лучшей мутацией.

В некоторых случаях мы обнаружили одинаковые мутации вирусов у разных пациентов в нашем исследовании, хотя мы могли сказать, что пациенты не заражали друг друга. Мы очень редко ожидаем, что подобное сходство произойдет по случайности. Вирусы, возможно, поразили подобные адаптации в ответ на эволюционные проблемы. Некоторые из этих мутаций, возможно, помогли вирусу избежать иммунной системы, повторяя другие исследования.

Прогнозирование будущего

Более того, многие мутации у этих пациентов соответствовали мутациям, которые впоследствии распространились по всему миру. В шипах внешней оболочки гриппа, которые помогают вирусу проникать в клетки-хозяева, мутация N225D появилась у трех из четырех пациентов в нашем исследовании. К 2015 году, примерно через 8 лет после заражения наших пациентов, большинство вирусов гриппа во всем мире претерпели те же изменения.

Для нас это было неожиданно. Эволюция полна компромиссов, и некоторые мутации, которые помогают гриппу адаптироваться в людях, могут замедлить его передачу от человека к человеку. Мы также не знали, будет ли эволюция при таких необычно длительных инфекциях гриппа соответствовать изменениям во всем мире.

Но в нашем исследовании эволюция гриппа у отдельных людей показала поразительное сходство с эволюцией по всему миру. Мы могли видеть намеки на некоторые глобальные эволюционные тенденции только у нескольких людей.

По мере того, как технологии продолжают совершенствоваться, становится все проще заглядывать в грипп, как и мы. Лаборатории ВОЗ собирают вирусы гриппа от тысяч людей каждый год для мониторинга развития гриппа. Исследователи упорядочивают все больше и больше штаммов таким образом, чтобы мы могли улавливать мутации по мере их появления у отдельных людей.

Каждая из этих тысяч инфекций похожа на отдельный эволюционный эксперимент. Сравнивая мутации, возникающие при разных инфекциях, мы можем получить представление об эволюционных возможностях и ограничениях.

Где-то в будущем эта информация может помочь в прогнозировании развития гриппа. На данный момент, по крайней мере, раскрываются некоторые динамические процессы эволюции, которые происходят в каждом из нас.

Эта статья была первоначально опубликована в «Беседе» Кэтрин Сюэ и Джесси Блумом. Прочитайте оригинальную статью здесь.