Есть ли предел того, насколько коронавирус может мутировать?
Коронавирус мутирует, улавливая генетические изменения, поскольку мир гонится за вакцинацией людей как можно быстрее.
Мутации вирусов, включая SARS-CoV-2, являются нормальным явлением. Но есть ли предел тому, насколько вирус может мутировать и по-прежнему вызывать заболевание людей — или вирус может просто продолжать развиваться бесконечно?
Оказывается, предел есть, но мы точно не знаем, что это такое; и мы не можем начать предсказывать все возможные мутации вируса, — сказали вирусологи Live Science. По словам Винсента Раканиелло, профессора микробиологии и иммунологии Колумбийского университета в Нью-Йорке, количество возможных генетических мутаций больше, чем у всех атомов в видимой Вселенной. «Хорошая часть генома может быть заменена».
Генетический код коронавируса, состоящий из четырех различных химических основ или молекул, которые можно представить как четырехбуквенный алфавит, состоит из 29881 буквы. Эти буквы содержат инструкции по созданию 9860 аминокислот, которые являются строительными блоками белков вируса. Когда эти химические основы меняются, меняются и аминокислоты, что может повлиять на форму белков вируса; эти изменения формы, в свою очередь, могут повлиять на то, как функционирует вирус, например, как он связывается с человеческими клетками.
Предыдущие исследования других РНК-вирусов, которые, как SARS-CoV-2, имеют одну цепь РНК в качестве генетического материала, показали, что более половины оснований в этих вирусах могут быть изменены, сказал Раканиелло Live Science. Математически это означает, что если длина вируса составляет 10 000 пар оснований, существует 4-5 000 возможных генетических последовательностей.
Это невероятно много, учитывая, что в видимой Вселенной 4 ^ 135 атомов. Если уравнение верно для вируса, такого как SARS-CoV-2, генетический код которого в три раза длиннее, то его генетическая последовательность может иметь 4 ^ 14 941 различных возможных комбинаций. И это только подсчет основных изменений букв — одно химическое вещество заменяет другое; По словам Раканиелло, есть также другие мутации, такие как делеции или вставки в геноме, которые еще больше увеличивают количество возможных вариантов.
Но большинство этих мутаций не имеют значения — и большая часть будет немедленно отсеяна. «Некоторые мутации смертельны, поэтому мы их никогда не видим», — сказал он. И «многие из них нейтральны; они просто накапливаются, и их уносят». Мутации, которые имеют значение, обычно связаны с шиповым белком коронавируса, оружием, которое он использует для фиксации рецепторов ACE2 на поверхности человеческих клеток. Сам спайк состоит из 1 273 аминокислот, которые кодируются 3 831 химическим основанием; Таким образом, согласно той же математической логике, существует 4 ^ 1916 способов изменения кода белка-шипа, что все еще почти бесконечно. Тем не менее, многие из этих мутаций являются избыточными и кодируют одни и те же аминокислоты.
Более того, не каждая мутация будет идентифицирована как новый «вариант», — сказал Джон Мур, профессор микробиологии и иммунологии Корнельского университета в Итаке, Нью-Йорк. «Бесшумные мутации случаются, но они не актуальны». Идентифицированные и названные варианты обычно обладают примечательными свойствами, такими как большая способность передаваться людям или избегать вакцин.
Надежное наблюдение может помочь ученым отыскать изменения в геноме вируса путем случайной выборки инфицированного населения. Как только они идентифицируют потенциально важные мутации — например, на основе того, где появляются изменения в геноме — они могут включить эти мутации в компьютерную модель белка-шипа, взаимодействующего с рецептором ACE2, чтобы сделать прогнозы относительно того, как будет вести себя вариант. Но чтобы в конечном итоге понять, как мутация изменила поведение вируса, им нужно провести эксперименты с вирусом или белками, сказал Мур.
Прошлые мутации
Самый первый вариант SARS-CoV-2 был идентифицирован прошлой весной, когда оригинальный вирус, впервые обнаруженный в Ухане, был заменен новым вариантом под названием D614G, который, вероятно, появился в Европе. По словам Мура, только в конце лета ученые обнаружили, что основная мутация в этом варианте, вероятно, увеличила его способность к репликации и распространению.
Хотя SARS-CoV-2 не мутирует в такой степени, как ВИЧ или грипп, «вы помещаете такой вирус в 100 миллионов человек, и мутации произойдут», — сказал Мур Live Science. В августе в Великобритании появился еще один вариант под названием B.1.1.7, и в ноябре его распространение ускорилось. Ранние исследования показывают, что основная мутация этого варианта, называемая N501Y, снова увеличила трансмиссивность, но, вероятно, не ускользнула от нейтрализующих антител, которые развивались в ответ на D614G и другие более ранние штаммы нового коронавируса.
Кроме того, в Южной Африке произошла более тревожная мутация. Этот, названный B.1.351 или N501Y.V2, имеет мутацию, аналогичную британскому варианту; но у этого также есть другие мутации, расположенные близко к сайту связывания рецептора белка-спайка — месту, где белок-спайк связывается с ACE2 на клетках человека. Ключевой мутацией здесь является мутация E484K, которая меняет форму рецепторсвязывающего домена (RBD) настолько, что антителам, распознавшим более ранние штаммы, может быть трудно распознать этот новый.
Несколько ранних исследований показали, что вакцины, такие как вакцины Moderna, Pfizer, Novavax и Johnson & Johnson, по-прежнему защищают от этого варианта, но не работают против него так же хорошо, как для более ранних вариантов, для которых они были разработаны.
Другой вариант, аналогичный B.1.351, под названием P.1, также появился в Бразилии, и из-за его сходства с вариантом в Южной Африке он также может вызывать беспокойство. Теперь ученые находят несколько вариантов B.1.1.7, которые также мутировали, включая мутацию E484K.
Домен RBD — это одно, но не единственное место, где могут произойти мутации. По словам Раканиелло, он состоит из 223 аминокислот, 22 из которых вступают в контакт с рецептором ACE2 в клетках человека. Любая из этих аминокислот может изменяться (из-за мутаций в генетической последовательности, лежащей в основе домена) и увеличивать свой контакт с человеческими клетками и, таким образом, свою способность вторгаться.
Почему происходят все эти мутации?
Мутации иногда отражают так называемый эффект основателя. Вирус мутирует, и его вариант становится доминирующим, потому что он попал в человека, который широко распространяет вирус. Это не обязательно означает, что у мутации есть преимущество.
Но иногда одни и те же или очень похожие мутации, такие как N501Y, появляются в разных частях света. Обычно это означает, что мутация дает вирусу преимущество, сказал Мохсан Саид, доцент биохимии Медицинской школы Бостонского университета и исследователь Национальной лаборатории новых инфекционных заболеваний университета.
По его словам, вирус уже очень хорошо заражает людей, поэтому любые будущие преимущества, которые он получит от мутаций, вряд ли будут драматичными. «Если ваше радио уже очень громко на уровне 10, увеличение громкости до 11 не будет иметь большого значения», — сказал Саид Live Science.
Тем не менее, «мы увидим, что произойдет, когда вакцина будет вводиться в массовом масштабе», — сказал он. В таких ситуациях вакцины могут стимулировать вирусы к развитию «ускользающих мутаций», чтобы блокировать способность нейтрализовать антитела.
Будущие мутации
SARS-CoV-2 циркулирует среди людей в течение короткого времени, поэтому «ученые еще не в состоянии делать прогнозы о том, какие варианты появятся в будущем» на основе моделирования или прошлой истории с вирусом, — сказал Саид. «Это в основном стохастический или случайный характер», — сказал он.
«Мы не делаем ставку, мы реагируем», — сказал Мур. Другими словами, мутации происходят в дикой природе, и затем ученые выясняют, какое влияние они окажут на трансмиссивность, летальность или ускользание вакцины. Хотя было бы неплохо быть на шаг впереди вируса — например, предсказывать на основе моделирования, какие еще мутации могут возникнуть, — это, вероятно, невозможно, учитывая степень, в которой вирус может мутировать.
«Белки очень гибки в своих способностях взаимодействовать с рецепторами или антителами; они способны [tolerating] мутации множеством разных способов для достижения одной и той же конечной точки », — сказал Мур. И поэтому« вы не можете предсказать, что произойдет ».
Ученые могут предсказать некоторые очень очевидные мутации, которые могут появиться, такие как определенные аминокислотные изменения в белке спайка, которые влияют на связывание антител, или изменения в RBD спайка, которые повлияют на способность вируса прилипать и проникать в клетки человека, Раканиелло сказал. «Но это только часть [the] спайк и многие другие изменения могут повлиять на физическую форму «.
Хотя ученые не могут предсказать, какие мутации дадут вирусу преимущество, они знают, что эти мутации будут появляться по мере распространения вируса.
«Вы увидите варианты, отобранные для большей трансмиссивности и / или устойчивости к антителам, потому что они являются двумя самыми большими факторами давления отбора», — сказал Мур.
Сильное давление отбора, например, с вакцинами с очень высокой эффективностью, может снизить вероятность репликации и мутации вируса. Между тем, действительно слабое давление отбора означает, что вирусу не нужно мутировать, поэтому любое изменение даст незначительное преимущество, сказал Мур.
Проблема возникает, когда мы оказываем на вирус давление отбора на промежуточном уровне. Например, широкое использование слабых вакцин или увеличение времени между первой и второй дозами вакцины, когда у вас нет сильного ответа антител, может стать «питательной средой для новых вариантов», — сказал Мур. «Мы знаем об этом».
Итак, чтобы предотвратить будущие варианты, мы должны убедиться, что вакцинируем людей по графику, чтобы не дать появиться так называемым «бегущим» мутантам. И нам нужно остановить распространение вируса, что дает коронавирусу больше шансов мутировать.
Эти вирусы «не выросли внезапно из ножниц, которые прорезали бы себе путь сквозь маски, они не выросли на каблуках с пружинным каблуком, которые могли бы отбрасывать их на 50 ярдов между людьми», — сказал Мур. «Это все еще коронавирусы, и их все еще можно остановить стандартными процедурами, которые мы все должны делать».
Потому что мы не можем заранее предсказать, какие именно мутации появятся. По словам Мура, единственный способ остаться на два шага от вируса, а не на 20 — резко усилить наблюдение за новыми вариантами. Таким образом, ученые смогут выявить и протестировать влияние новых вариантов в лаборатории, прежде чем они получат широкое распространение.
Если варианты становятся невосприимчивыми к нашим вакцинам, довольно просто модифицировать мРНК вакцины Pfizer и Moderna, чтобы создать бустерные вакцины, заменив генетическую последовательность, используемую для обучения организма распознаванию белка-шипа с новой мутированной последовательностью, сообщалось ранее в Live Science. .
«Другой момент, о котором следует помнить, — это то, что когда вы говорите об этих вариантах, у них не выросли внезапно ножницы, которые прорезали бы себе путь сквозь маски; они не выросли сапоги на пружинном каблуке, которые будут подпрыгивать на 50 ярдов между людьми», — сказал Мур. «Это все еще коронавирусы, и их все еще можно остановить стандартными процедурами, которые мы все должны делать».
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
Похожие статьи
ДРУГИЕ НОВОСТИ
