Ewolucja grypy: jak naukowcy wykorzystują sekwencjonowanie genomu do prognozowania przyszłości

Ewolucja jest zwykle bardzo powolna, a proces zmiany trwa tysiące lub miliony lat.

Ale w przypadku grypy ewolucja jest szybka i śmiertelna. Wirusy grypy szybko się zmieniają, aby uciec przed obroną organizmu. Co kilka lat pojawiają się nowe warianty grypy i powodują epidemie na całym świecie.

Kontrolowanie rozprzestrzeniania się grypy oznacza radzenie sobie z tą trwającą ewolucją. Każdego roku eksperci Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) muszą jak najlepiej odgadnąć, jak zmieni się wirus, aby wybrać szczepy grypy, które mają zostać włączone do rocznej szczepionki.

Ta praca jest trudna i niepewna, a błędy mają realne konsekwencje. Na całym świecie grypa zaraża co roku kilka milionów ludzi i powoduje setki tysięcy zgonów. W latach, kiedy prognozy nie trafiają w znak, a szczepionka przeciw grypie bardzo różni się od krążących szczepów, więcej ludzi jest podatnych na infekcję.

W ciągu ostatnich kilku lat postępy w sekwencjonowaniu genomu zaczęły rzucać światło na początki ewolucji wirusów, głęboko w poszczególnych infekcjach. Zastanawialiśmy się, czy w przypadku grypy informacje te mogą dać nam wczesne spojrzenie na przyszłe globalne trendy ewolucyjne.

Co może nam powiedzieć infekcja grypy pojedynczej osoby o tym, jak wirus zmienia się na całym świecie? Jak się okazuje, zaskakująca ilość.

Patrząc głęboko w infekcję

Każdy krok w ewolucji grypy zaczyna się od błędu. Ponieważ wirusy kopiują się w zarażonej osobie, czasami mutują, tworząc niewielkie zmiany w ich genetycznym planie.

Większość mutacji jest szkodliwych dla wirusa, ponieważ niszczą mechanizmy potrzebne do funkcjonowania. Ale co jakiś czas zmutowany wirus przeżywa, a nawet kwitnie. Wirusy grają w kotka i myszkę z ludzkim układem odpornościowym. Czasami zmutowany wirus może być na tyle odmienny, że może uciec przed powiadomieniem organizmu.

Zmutowany wirus o takiej przewadze może szybko się rozmnażać i dominować w infekcji. W końcu może nawet rozprzestrzeniać się z człowieka na człowieka, a stamtąd zacząć rozprzestrzeniać się po całym świecie.

Ostatnio łatwiej jest śledzić, jak wirusy zmieniają się w ludzkim ciele. Te same postępy, które sprawiły, że tanie i łatwe do sekwencjonowania ludzkie genomy zmieniają sposób badania wirusów. Dla kosztu sekwencjonowania pojedynczego ludzkiego genomu możemy sekwencjonować tysiące wirusów z całej infekcji, aby śledzić nowe mutacje, gdy tylko się pojawią.

Te mutacje mogą pokazać nam, jak wirus reaguje na trudne środowiska w ludzkim ciele. W przypadku HIV, gdzie infekcje często trwają lata lub nawet dekady, ewolucja może być znacząca, nawet w obrębie jednej osoby. W szczególności wirusy często rozwijają oporność na leki w odpowiedzi na leczenie przeciwwirusowe.

Śledzenie ewolucji grypy w 4 długich infekcjach

Niedawno śledziliśmy ewolucję wirusa u czterech pacjentów z rakiem, którzy mieli infekcje grypy trwające kilka miesięcy. Większość infekcji grypą trwa około tygodnia, co ogranicza ilość możliwych zmian. Ale u pacjentów ze słabym układem odpornościowym infekcje mogą trwać długo, z poważnymi skutkami.

Jak zmieniła się grypa w tych długich infekcjach? Sekwencjonując wirusy z różnych czasów podczas infekcji i porównując ich genomy, byliśmy w stanie zidentyfikować nowe mutacje i śledzić ich losy.

Ewolucja działała w ciągu kilku tygodni. Jednym z wyraźnych przykładów był opór wobec Tamiflu. Pacjenci, których badaliśmy, przyjmowali lek w celu kontrolowania zakażeń. Ale, podobnie jak w poprzednich badaniach, ostatecznie pojawiły się wirusy niosące mutacje oporności na leki. Te mutacje mogą częściowo wyjaśniać, dlaczego infekcje trwały tak długo.

Mutacje oporności na leki nie były jedynymi zmianami ewolucyjnymi, które widzieliśmy. Pół tuzina zmutowanych wirusów, niewiele różniących się od siebie, czasami rywalizowało jednocześnie w jednej osobie.

Te konkurencyjne wirusy sprawiły, że ewolucja stała się skomplikowaną sprawą. Mutacja, która zaczęła się rozprzestrzeniać w jednym tygodniu, czasami wygasała. Przypuszczalnie został pokonany przez jeszcze lepszą mutację.

W niektórych przypadkach znaleźliśmy dokładnie te same mutacje w wirusach od różnych pacjentów w naszym badaniu, chociaż mogliśmy stwierdzić, że pacjenci nie zarażali się nawzajem. Bardzo rzadko oczekujemy takich podobieństw z powodu przypadku. Wirusy mogły trafić na podobne adaptacje w odpowiedzi na wyzwania ewolucyjne. Niektóre z tych mutacji mogły pomóc wirusowi w uniknięciu układu odpornościowego, powtarzając inne badania.

Prognozowanie przyszłości

Co więcej, wiele mutacji w tych pacjentach pasowało do mutacji, które później rozprzestrzeniły się na całym świecie. W kolcach zewnętrznej powłoki grypy, które pomagają wirusowi dostać się do komórek gospodarza, mutacja N225D pojawiła się u trzech z czterech pacjentów w naszym badaniu. Do roku 2015, około 8 lat po zakażeniu naszych pacjentów, większość wirusów grypy na całym świecie zmieniła dokładnie tę samą zmianę.

Dla nas było to nieoczekiwane. Ewolucja jest pełna kompromisów, a niektóre mutacje, które pomagają w adaptacji grypy w ludziach, mogą spowolnić jej przenoszenie z osoby na osobę. Nie wiedzieliśmy również, czy ewolucja w tak niezwykle długich infekcjach grypy pasuje do wzorców zmian na całym świecie.

Ale w naszym badaniu ewolucja grypy u poszczególnych ludzi wykazała uderzające podobieństwa do ewolucji na całym świecie. Widzieliśmy wskazówki dotyczące niektórych globalnych trendów ewolucyjnych w zaledwie kilku osobach.

W miarę poprawy technologii coraz łatwiej jest patrzeć w głąb infekcji grypowych, tak jak my. Laboratoria WHO corocznie szczepią grypę od tysięcy ludzi w celu monitorowania ewolucji grypy. Naukowcy sekwencjonują coraz więcej szczepów w sposób, który pozwala nam złapać mutacje, które pojawiają się po raz pierwszy u poszczególnych ludzi.

Każda z tych tysięcy infekcji przypomina osobny eksperyment ewolucyjny. Porównując mutacje pojawiające się w różnych infekcjach, możemy uzyskać poczucie ewolucyjnych możliwości i ograniczeń.

Gdzieś w dole tego rodzaju informacje mogą pomóc w prognozowaniu ewolucji grypy. Na razie przynajmniej odkrywa niektóre dynamiczne procesy ewolucji, które zachodzą w każdym z nas.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Katherine Xue i Jesse Bloom. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.