Еволюция на грипа: как учените използват секвенцията на генома за прогнозиране на бъдещето

Еволюцията обикновено е много бавна, процес на промяна, който се нуждае от хиляди или милиони години.

Но за грипа еволюцията е бърза и смъртоносна. Вирусите на грипа се променят бързо, за да избягат от защитата на организма. На всеки няколко години се появяват нови варианти на грип и причиняват епидемии по целия свят.

Контролирането на разпространението на грипа означава справяне с тази продължаваща еволюция. Всяка година експерти от Световната здравна организация (СЗО) трябва да направят най-доброто си предположение за това как вирусът ще се промени, за да избере кои щамове на грипа да бъдат включени в годишната ваксина.

Тази работа е трудна и несигурна и грешките имат реални последици. В световен мащаб грипът заразява няколко милиона души всяка година и причинява стотици хиляди смъртни случаи. В години, когато прогнозите пропускат марката и грипът е много различен от циркулиращите щамове, все повече хора са уязвими към инфекции.

През последните няколко години напредъкът в секвенцията на генома започна да хвърля светлина върху началото на вирусната еволюция, дълбоко в индивидуалните инфекции. Запитахме се дали за грипа тази информация може да ни даде по-ранен поглед към бъдещите глобални еволюционни тенденции.

Какво може да ни каже грипна инфекция от един човек за това как вирусът се променя в целия свят? Както се оказва, една изненадваща сума.

Гледайки дълбоко в една инфекция

Всяка стъпка от еволюцията на грипа започва с грешка. Когато вирусите се копират в заразения човек, те понякога мутират, създавайки малки промени в техния генетичен план.

Повечето мутации са вредни за вируса, тъй като разрушават машината, от която се нуждае, за да функционира. Но много често мутантният вирус оцелява и дори процъфтява. Вирусите играят постоянна игра на котка и мишка с човешката имунна система. Понякога мутантният вирус може да е достатъчно различен, за да избегне забележката на организма.

Мутантният вирус с този вид предимство може да се размножава бързо и да доминира в инфекцията. В крайна сметка тя може дори да се разпространи от човек на човек и от там да започне да се разпространява по целия свят.

Напоследък стана по-лесно да се проследи как вирусите се променят в човешкото тяло. Същият напредък, който го направи евтин и лесен за проследяване на човешки геноми, променя начина, по който изучаваме вирусите. За цената на секвенирането на един човешки геном, ние можем да подредим хиляди вируси от цялата инфекция, за да проследим нови мутации, когато възникнат.

Тези мутации могат да ни покажат как вирусът реагира на предизвикателни среди в човешкото тяло. За ХИВ, където инфекциите често минават години или дори десетилетия, еволюцията може да бъде значителна, дори в рамките на един човек. По-специално, вирусите често развиват лекарствена резистентност в отговор на антивирусно лечение.

Проследяване на грипната еволюция в 4 дълги инфекции

Наскоро проследихме вирусната еволюция при четири пациенти с рак, които са имали грипни инфекции, продължили няколко месеца. Повечето грипни инфекции продължават около седмица, което ограничава промените, които могат да настъпят. Но при пациенти със слаба имунна система инфекциите могат да продължат дълго време, с тежки ефекти.

Как се промени грипът при тези дълги инфекции? Чрез секвениране на вируси от различно време по време на инфекцията и сравняване на техните геноми, ние бяхме в състояние да идентифицираме нови мутации и проследяваме техните съдби.

Еволюцията действаше в рамките на няколко седмици. Един ясен пример е съпротивата срещу Тамифлу. Пациентите, които изследвахме, приемаха лекарството, за да контролират инфекциите си. Но, както при предишни проучвания, накрая се появиха вируси, пренасящи мутации с лекарствена резистентност. Тези мутации могат частично да обяснят защо инфекциите са продължили толкова дълго.

Мутациите за резистентност към лекарства не са единствените еволюционни промени, които видяхме. Половин дузина мутантни вируси, всички малко по-различни един от друг, понякога се конкурират едновременно в един човек.

Тези конкурентни вируси направиха еволюцията сложна. Мутация, която започна да се разпространява една седмица, понякога ще изчезне. Предполага се, че е превъзхождана от още по-добра мутация.

В някои случаи открихме точно същите мутации във вируси от различни пациенти в нашето проучване, въпреки че можехме да кажем, че пациентите не се заразяват взаимно. Много рядко очакваме подобни сходства да се случат поради случайността. Вирусите може да са засегнали подобни адаптации в отговор на еволюционните предизвикателства. Някои от тези мутации може да са помогнали на вируса да избегне имунната система, повтаряйки други изследвания.

Прогнозиране на бъдещето

Нещо повече, много мутации в тези пациенти съвпадат с мутации, които по-късно се разпространяват по целия свят. В шиповете на външния слой на грипа, които помагат на вируса да влезе в клетките на гостоприемника, мутацията N225D се появява при три от четирите пациенти в нашето изследване. До 2015 г., около 8 години след заразяването на нашите пациенти, повечето вируси от грип по света носеха същата промяна.

За нас това беше неочаквано. Еволюцията е пълна с компромиси и някои мутации, които помагат на грипа да се адаптират в хората, могат да забавят предаването му от човек на човек. Също така не знаем дали еволюцията в такива необичайно дълги грипни инфекции ще съответства на моделите на промяната в целия свят.

Но в нашето изследване еволюцията на грипа при отделни хора показваше поразителни сходства с еволюцията по целия свят. Можем да видим намеци за някои глобални еволюционни тенденции само в рамките на няколко индивида.

Тъй като технологиите продължават да се подобряват, става все по-лесно да гледаме дълбоко в грипните инфекции, както направихме. В лаборатории на СЗО всяка година се събират щамове на грип от хиляди хора, за да се наблюдава развитието на грипа. Изследователите подреждат все повече и повече щамове по начини, които ни позволяват да улавяме мутации, тъй като те възникват първо в отделните хора.

Всяка от тези хиляди инфекции е като отделен еволюционен експеримент. Сравнявайки мутации, които се появяват при различни инфекции, можем да получим усещане за еволюционни възможности и ограничения.

Някъде надолу, този вид информация може да помогне за прогнозиране на еволюцията на грипа. Засега поне разкрива някои от динамичните процеси на еволюция, които се случват във всеки един от нас.

Тази статия е първоначално публикувана на разговор от Катрин Кюе и Джеси Блум. Прочетете оригиналната статия тук.