address2arrow-email-sendarrow-rightbtn-right-arrowbubbleclosecomment-arrow-answerenvelopeeyefriendshamburgerheartHeart copy 26heart-emptyhomehumanlikelk-bubblelk-eyeHeart copy 26lk-pencilloginnav-editnav-eyenav-newsnav-starnav-userloginnext-arrow-rightpagination-lastpagination-nextShape 19 copysearchstarstar-fulluserBriefcaseCard
7 Сентября, 2018

Почему эпидемиология должна стать молекулярной

Сегодня можно, секвенировав разные штаммы вируса и построив его эволюционное дерево, только на основе этой информации оценить пути передачи инфекции и скорость ее распространения. О том, что такое молекулярная эпидемиология, и об особенностях эволюции вирусов, мы беседуем с зав. сектором молекулярной эволюции Института проблем передачи информации РАН, профессором Сколковского института науки и технологий Георгием Базыкиным.

Беседовала Надежда Маркина

Недавно Дмитрий Киреев рассказал PCR.ru о создании новой тест-системы для исследования ВИЧ на основе NGS и сообщил, что эта система может применяться как в клинике, так и для решения научных задач. Какие научные задачи, связанные с ВИЧ, на сегодня нуждаются в решении?

Я эволюционный генетик. Пожалуй, самая фундаментальная задача, связанная с ВИЧ, которую нужно решать эволюционно-генетическими методами, она же и прикладная, — это изучение того, какие пути передачи инфекции преобладают в разных популяциях. Сейчас большая часть имеющихся на эту тему знаний получена как-то иначе, например, опросом при эпидемиологическом анамнезе. Оказывается, что молекулярно-генетические методы часто гораздо надежнее. Если у нас накоплена достаточно большая база секвенированных последовательностей, чтобы охарактеризовать штаммы вируса, например ВИЧ, которые циркулируют в конкретных группах пациентов, то получая штамм из нового пациента, мы можем установить, от какой группы он произошел и когда. Такие группы называются трансмиссионными кластерами, и знание их структуры необходимо для построения эпидемиологических моделей, без которых не понять ход эпидемии. Если мы не знаем, как передается вирус, то мы мало что можем сказать о том, как с ним бороться.

В разных группах передаются разные типы вируса?

Разные его варианты. Задачи современной молекулярной эпидемиологии оказываются близкими и знакомыми эволюционным биологам, потому что эволюционные биологи любят строить филогенетические деревья. Здесь задача ровно такая же. Строится филогенетическое дерево штаммов вируса из какого-нибудь региона, какие-то штаммы на нем оказываются близкими друг другу, а какие-то далекими. И если у нас есть информация о том, от каких пациентов взяты эти штаммы, то даже если для части других штаммов никакой информации нет или она неправильная, мы можем ее определять или уточнять. Скажем, мы видим, что исследуемый штамм вируса относится к близкородственным друг с другом вариантам, которые все получены, например, от потребителей внутривенных наркотиков. Тогда мы можем предположить, что и в данном случае путь заражения был таким же, и точнее оценить, какая доля новых заражений происходит этим путем.

То есть в группе потребителей внутривенных наркотиков в данном регионе циркулирует определенная группа вируса?

Да, если потребители внутривенных наркотиков действительно быстро передают вирус друг другу, то на филогенетическом дереве возникают «кучки», или, как говорят эволюционисты, клады, и внутри них вирусы отличаются друг от друга меньше, чем между ними. Это и есть трансмиссионные кластеры, и внутри них интенсивность передачи сильнее, чем между ними. Сейчас основой эпидемиологии ВИЧ являются именно эти трансмиссионные кластеры. Первое, что нужно сделать в России, это их детально описать. В России, как все знают, ВИЧ представляет собой колоссальную проблему, он на подъеме, и современная эпидемия пока довольно плохо описана. В частности, прочитана гораздо меньшая доля генетических последовательностей вируса, чем, например, в Западной Европе. Поэтому первое, что нам нужно сделать, — это накопить информацию о том, как устроена текущая эпидемия ВИЧ в России.

А есть же еще лекарственная устойчивость.

Да. Часть мутаций, дающих вирусу устойчивость к лекарству, возникает в каждом пациенте независимо в результате эволюции вируса внутри пациента. Но другая часть таких мутаций передается между пациентами, и филогенетический анализ позволяет понять пути их передачи.

Известно, что ВИЧ и грипп — быстро мутирующие вирусы. А почему?

Действительно, ВИЧ и вирус гриппа — это одни из самых быстро эволюционирующих объектов, которые мы вообще знаем. Прежде всего потому, что это РНК-содержащие вирусы. РНК — менее стабильная молекула, чем ДНК, и, главное, при ее копировании происходит больше ошибок. Это одновременно сила и слабость РНК-содержащих вирусов. С одной стороны, такая высокая скорость мутирования позволяет им быстро приспосабливаться к меняющимся условиям среды, например, к иммунитету хозяина. С другой стороны, у некоторых вирусов она находится на таком высоком уровне, что если ее повысить еще немного, то вирус просто не сможет производить при репликации достаточное количество жизнеспособного потомства, потому что будет накапливать слишком много вредных для себя мутаций. Так что вирусы живут, балансируя на краю пропасти, куда их толкает естественный отбор, но с этого края легко упасть.

Вероятно, для молекулярной эпидемиологии такие вирусы наиболее трудны?

Какие-то задачи становятся сложнее, какие-то, наоборот, проще. Если мы занимаемся более консервативным вирусом, то разные последовательности, взятые из разных пациентов, оказываются генетически идентичными, и мы просто не можем проделать ту работу, о которой я рассказывал. Так что в какой-то степени это даже удобно, когда вирус быстро накапливает изменения и по характеристикам штамма мы можем сказать, от кого шла передача. Такой подход использовался еще в 90-х годах в знаменитой истории, когда на основании эволюционного дерева ВИЧ было доказано, что несколько человек получили ВИЧ от зубного врача. С тех пор эволюционное дерево несколько раз использовалось в качестве доказательства в суде, когда необходимо было установить, кто кого заразил. Когда речь идет о чем-то более медленно эволюционирующем, то нам, как правило, приходится читать более длинные фрагменты генома, чтобы найти достаточное количество различий и проследить эпидемию.

Такой, наверное, наивный вопрос: если цель вируса — не убийство хозяина, а размножение, почему все же вирусы убивают?

Это совсем не наивный вопрос, а довольно глубокий. Ответа на него мы толком не знаем. Теория предсказывает, что те вирусы, которые давно сосуществуют со своим хозяином, должны наносить ему меньше вреда, и, в общем, примерно это мы и видим. У многих обезьян инфекция вирусом иммунодефицита, близкородственным ВИЧ, протекает практически бессимптомно и не приводит к СПИДу. Человек — это такой необычный вид, который за последние сотни лет вступил в разного рода взаимодействия с огромным количеством других биологических видов, создав новые возможности для самых разных патогенов. Если мы посмотрим, с чем были связаны самые грозные вспышки заболеваний, про которые мы слышали в последние годы в новостях, то это в основном будут вирусы, принесенные от других животных — от птиц, от свиней, от обезьян, от виверровых, от летучих мышей и т.д. Есть много способов для появления нового вируса в популяции человека. А наш вид сейчас хорошо перемешан, и раз оказавшись в какой-то географической точке, вирус может распространиться по земному шару довольно быстро. По молекулярной датировке получается, что момент перескока предка ВИЧ от обезьян к человеку — это первая треть ХХ века. Но до 80-х годов этот вирус был не описан и не известен ни в Европе, ни в Северной Америке. Значит, в течение как минимум 50 лет он где-то существовал, может быть, убивал целые африканские деревни, но не выплескивался за пределы Африки. Сейчас, возможно, он распространился бы по всему земному шару быстрее.

Верно ли, что вирус, переходя к другому хозяину, становится более опасным?

Это предсказывает эволюционная теория. Он оказывается в новой для себя ситуации, где эволюционно выгоднее заразить нового хозяина, быстро «исчерпав» ресурсы предыдущего, чем следить за его благосостоянием, рассчитывая на долгосрочные дивиденды.

Давайте перейдем к вирусу гриппа. В вашей лаборатории вы строите модели для предсказания штаммов вируса гриппа будущего сезона. Поясните, пожалуйста, чем отличаются ваши модели от других, которые применяются в мире?

Вирус гриппа — это недооцененная проблема, он уносит гораздо больше жизней, чем принято считать. Большая часть смертей приходится на пожилых людей, у которых непосредственную причину смерти установить сложно. Но можно сравнить годы, когда эпидемия гриппа была более суровой и менее суровой, и посчитать, насколько больше погибает людей пожилого возраста в годы суровых эпидемий. Такая математическая модель показывает, что это сотни тысяч человек в год. То есть число жизней, уносимых обычным сезонным гриппом, колоссальное.

В отличие от ВИЧ, против вируса гриппа есть вакцина. Правда, она не на 100% эффективна, и эффективность ее зависит от соответствия штамма вируса, на котором основана вакцина, и штамма, циркулирующего в этот сезон. Чем лучше это соответствие, чем больше они сходны с точки зрения иммунной системы, тем эффективнее будет вакцина. Вообще, иммунитет к гриппу, по-видимому, пожизненный, поэтому, если бы не эволюция, мы бы болели гриппом один раз в жизни. Проблема в том, что мы каждый год или раз в несколько лет заражаемся новым штаммом вируса, которого наша иммунная система никогда раньше не видела.

Поскольку цикл приготовления вакцины занимает полгода, нужно за полгода решать, какой именно из кандидатных штаммов, которые есть в нашем распоряжении, закладывать в производимую вакцину. Появилась и все усиливается проблема, связанная с тем, что вирус продолжает эволюционировать в процессе культивирования для вакцины. Сейчас его в основном выращивают в куриных яйцах, и за это время он приспосабливается к выживанию в яйце и приобретает совсем не те мутации, которые делают его эффективным в качестве вакцинного штамма. По-видимому, сам вирус гриппа в человеческой популяции сегодня лучше адаптирован к человеку и менее похож на тот птичий грипп, от которого он когда-то произошел, поэтому отбор, связанный с адаптацией обратно к куриным яйцам, становится сильнее. И, вероятно, это одна из причин, из-за которых вакцины теряют эффективность.

Таким образом, задача заключается в том, как из всего разнообразия вирусов выбирать штамм, который закладывать в состав вакцины. Практически нам надо на полгода вперед, уже весной, предсказать штамм, который станет наиболее распространенным в осеннюю эпидемию.

Речь идет именно о выборе штамма из имеющихся, а не о предсказании, какие в нем произойдут изменения?

О выборе из имеющихся. Предсказывать процесс мутирования мы пока умеем очень плохо, хотя все надеются, что мы научимся этому в будущем. Пока что задача проще: мы имеем несколько конкурирующих вариантов вируса, и надо выбрать тот, частота которого сильнее всего вырастет между весной и осенью. И люди строят математические модели для этой цели.

Наш вклад в это вот какой. Мы раньше показали, что при эволюции вируса гриппа, особенно двух его поверхностных белков — гемагглютинина и нейраминидазы, которые участвуют во взаимодействии с иммунной системой хозяина, очень важны взаимодействия между аминокислотными позициями как внутри одного белка, так и в разных белках. То, какой аминокислотный вариант оптимален в одной позиции, зависит от того, какой вариант присутствует в настоящее время в другой позиции. Такие взаимодействия люди в основном не учитывают. Работа, которую мы ведем сейчас, направлена на то, чтобы смоделировать эти взаимодействия. И по предварительным результатам, пока не опубликованным, похоже, что такая модель оказывается более мощной, более качественно предсказывает будущий распространяющийся штамм, чем традиционная. Это работа Ксении Сафиной, аспирантки в моей группе в Сколтехе, совместно с Алексеем Неверовым из ЦНИИ эпидемиологии, в которой также участвуют и сотрудники других организаций.

Поясните, пожалуйста, что такое реассортация вируса гриппа?

Реассортации приходится учитывать, если думать о взаимодействии между мутациями. Как устроен вирус гриппа? Его геном разделен на восемь отдельных сегментов, похожих на хромосомы у нас с вами. И если одну клетку заражают одновременно две вирусные частицы, то сегменты их генома могут перемешаться — реассортировать, и возникнет новая вирусная частица, которая несет сегменты от каждой из родительских частиц. Свойства этого вируса будут в чем-то похожими на свойства родителей, а в чем-то — новыми. И оказывается, что возбудители всех пандемий гриппа, которые уносили много жизней, вызывались именно такими реассортантными штаммами. По-видимому, это связано с тем, что путем реассортации вирусу удается создать что-то, что с одной стороны, приспособлено к уже имеющемуся хозяину, а с другой, имеет совершенно новые антигенные свойства. Такое сочетание старого и нового оказывается очень эволюционно успешным. Свиной грипп, который всех напугал в 2009 году, был продуктом нескольких реассортаций подряд. Произошла реассортация с участием птичьего гриппа, с участием свиного гриппа, с участием ранее существовавшего человеческого штамма гриппа, и таким образом получился некий Франкенштейн. Похоже, что самая смертоносная из известных эпидемий гриппа — «испанка» 1918 года — также была продуктом реассортации.

События реассортации тоже можно предсказывать?

Все умеют неплохо предсказывать реассортации, которые происходят между далекими штаммами, а мы разработали модель, позволяющую выявлять реассортации с перемешиванием довольно близких друг к другу вирусных штаммов. И оказалось, что реассортаций происходит больше, чем мы думали. Между разными человеческими вирусными частицами время от времени происходит перемешивание, которое не очень заметно, потому что результат похож на обоих предков, а оба предка достаточно похожи друг на друга. Но тем не менее нам удалось такие маленькие реассортации найти, описать, и оказалось, что они провоцируют дальнейшую эволюцию. После того, как случается реассортация, вирус быстрее накапливает аминокислотные замены, чем до этого. Мы думаем, что связано это вот с чем. Представим себе, что происходит с вирусом с точки зрения одного вирусного сегмента. При реассортации он оказывается в совершенно новом генетическом окружении. Все функциональные связи, которые он имел с другими генами той же вирусной частицы, разрушены, и ему приходится накапливать новые адаптивные мутации, которые в каком-то смысле их починят. После реассортации мы наблюдали шлейф адаптивных замен.

Почему это важно? Когда мы это публиковали, всех очень интересовал вопрос, может ли птичий грипп H5N1 распространяться в человеческой популяции. Случаи инфицирования людей вирусом H5N1 были описаны, но в основном это прямое инфицирование от птиц, о передаче от человека к человеку известно практически не было. Поскольку этот вирус в человеке очень опасен, всех волновало, не приобретет ли он какие-то дополнительные мутации, которые позволят ему распространяться в человеческой популяции. А дальше две группы одновременно — Рона Фушье из Нидерландов и Йошихиро Каваоки из США — экспериментально, пассируя вирус на хорьках, пытались его заставить приобрести те мутации, которые бы его адаптировали к передаче между млекопитающими. И действительно, им удалось отобрать такую вирусную частицу, которая эффективно передавалась между хорьками. Она отличалась от штамма дикого типа вируса H5N1 — в одном эксперименте пятью мутациями, а в другом — реассортацией и четырьмя дополнительными мутациями. У них были серьезные проблемы с публикацией этой работы, потому что все боялись, что на основании этой информации можно сделать биологическое оружие, но в конце концов она была опубликована. А потом люди стали пытаться понять, насколько вероятно то, что естественный вирус сможет накопить эти изменения. Стали моделировать этот процесс и вычислять, с какой вероятностью могут случиться реассортация и последующие замены. Но наши результаты показали, что реассортация провоцирует последующие замены, так что возможно, моделирование без учета этого факта не совсем точно. Может быть, такие перескоки представляют собой бóльшую угрозу, чем можно представить из этих моделей.

И последний вопрос. Насколько реально, что человечество в будущем столкнется с еще не известными смертоносными вирусами?

Человечество непрерывно сталкивается с новыми вирусами. И в аварийных ситуациях, когда возникло что-то новое и надо понять, насколько оно опасно и как распространяется, молекулярная эпидемиология незаменима. Мы строим эволюционное дерево и, всего лишь глядя на это дерево, не имея никакой другой информации, можем оценить скорость распространения нового патогена. И это замечательно, потому что позволяет на основе одних только последовательностей сделать это раньше, чем будут собраны тем более обработаны эпидемиологические данные. Так, когда в 2009 году случилась всех напугавшая вспышка гриппа, буквально через несколько недель после того, как была описана первая последовательность, уже вышла статья в Science, где по анализу последовательностей оценили важнейший эпидемиологический показатель — скорость распространения вируса, сколько новых заражений приходится на одну инфекцию. Удивительно, что это можно делать, просто глядя на дерево и без какой бы то ни было дополнительной информации. Те же самые подходы использовались с вирусом Эболы.

Чтобы оценить опасность новой инфекции, молекулярная эпидемиология незаменима. Ну и к тому же она незаменима, когда требуется оценить пути ее передачи — географические или связанные с теми или иными социальными группами. Я думаю, что это направление будет активно развиваться, и надеюсь, что мы внесем вклад в его развитие в России.

1320
0
Лидеры мнений
Лидеры отрасли
  • FUTURE
    13
САМЫЕ ОБСУЖДАЕМЫЕ ТЕМЫ ФОРУМА
Поиск материалов по тегам