Коронавирус мутирует, но от чего зависит, насколько быстро?

Хотя технически не живые, вирусы мутируют и развиваются подобно живым клеткам, постоянно производя новые варианты.

Без генетических мутаций не было бы людей. Не было бы вообще никаких живых существ - ни млекопитающих, ни насекомых, ни растений, ни даже бактерий.

Эти крошечные ошибки, которые могут происходить случайным образом каждый раз, когда клетка или вирус копирует себя, обеспечивают исходный материал для эволюции. Мутации создают изменчивость в популяции, что позволяет естественному отбору усиливать черты, которые помогают существам процветать - вытягивать длинную шею жирафа, чтобы дотянуться до высоких листьев, или маскировать гусениц, как фекалии, чтобы ускользнуть от внимания птиц.

Однако в условиях пандемии слово «мутация» приобретает более зловещий оттенок. Вирусы, хотя технически не живые, также мутируют и эволюционируют, заражая клетки хозяина и размножаясь. Полученные в результате изменения генетического кода вируса могут помочь ему более легко переключаться между людьми или уклоняться от защиты иммунной системы. Три таких мутанта вируса SARS-CoV-2 побудили экспертов выступить за удвоение усилий по сдерживанию распространения коронавируса.

Но эти три версии вируса - лишь некоторые из тысяч вариантов SARS-CoV-2, которые возникли с начала пандемии. «Мы создаем варианты, подобные гангстерам, прямо сейчас, потому что у нас очень много людей, инфицированных SARS CoV-2», - говорит Сиобейн Даффи, биолог-эволюционист из Школы экологических и биологических наук Рутгерса.

Многие из этих вариантов с тех пор исчезли. Так почему же исчезают некоторые версии и почему вирус меняется в первую очередь? Какие механизмы играют роль хозяина марионеток для развивающихся вирусов?

«Вирус изменится, потому что это основная биология», - говорит Саймон Энтони, вирусолог, занимающийся инфекционными заболеваниями в Калифорнийском университете в Дэвисе. «Тогда возникает вопрос, значительны ли для нас эти изменения?»

Репликация генетических кодов

Успешный вирус - это тот, который делает больше самого себя. Но эти крошечные сущности сами по себе ничего не могут сделать. Вирусы - это, по сути, клубки генетического материала, заключенные в белковую оболочку, которая иногда покрыта внешней оболочкой. Для репликации они должны найти хозяина. Вирус связывается с клетками-мишенями, вводя генетический материал, который захватывает клеточный аппарат хозяина, чтобы создать новое поколение вирусного потомства.

Но каждый раз, когда создается новая копия, есть вероятность ошибки или мутации. Мутации подобны опечаткам в цепочке «букв», составляющих цепочку кода ДНК или РНК.

Большинство мутаций вредны для вируса или клетки, ограничивая распространение ошибки в популяции. Например, мутации могут изменять строительные блоки белков, закодированных в ДНК или РНК, что изменяет окончательную форму белка и мешает ему выполнять свою работу, объясняет Даффи.

«Он не создает прекрасных маленьких завитушек альфа-спиралей, которые должны быть», - говорит она об общей структуре, обнаруженной в белках. «Он не делает хорошо сложенные листы, как должен».

Многие другие мутации нейтральны и не влияют на эффективность размножения вируса или клетки. Такие мутации иногда распространяются случайным образом, когда вирус, несущий мутацию, распространяется среди населения, которое еще не подвергалось воздействию каких-либо вариантов вируса. «Это единственный ребенок в округе», - говорит Энтони.

Однако несколько избранных мутаций оказываются полезными для вируса или клетки. Например, некоторые изменения могут улучшить способность вируса перескакивать с одного хоста на другой, помогая ему превзойти другие варианты в этой области. Именно это произошло с вариантом B.1.1.7 SARS-CoV-2, который впервые был обнаружен в Соединенном Королевстве, но теперь распространился на десятки стран по всему миру. По оценкам ученых, этот вариант примерно на 50 процентов более передаточен, чем предыдущие формы вируса, что дает ему эволюционное преимущество.

Темп эволюции

Мутации могут происходить случайно, но скорость, с которой они происходят, зависит от вируса. Ферменты, копирующие ДНК-вирусы, называемые ДНК-полимеразами, могут корректировать и исправлять ошибки в результирующих цепочках генетических букв, оставляя несколько мутаций в каждом поколении копий.

Но РНК-вирусы, такие как SARS-CoV-2, являются эволюционными игроками микроскопического мира. РНК-полимераза, копирующая гены вируса, обычно не имеет навыков корректуры, что делает РНК-вирусы склонными к высокому уровню мутаций - до миллиона раз больше, чем ДНК-содержащие клетки их хозяев.

Коронавирусы имеют немного более низкую скорость мутаций, чем многие другие РНК-вирусы, потому что они могут выполнять небольшую генетическую корректуру. «Но недостаточно того, что он предотвращает накопление этих мутаций», - говорит вирусолог Луис Мански, директор Института молекулярной вирусологии Университета Миннесоты. Так как новый коронавирус разразился по миру, неизбежно возник ряд вариантов.

Однако истинную скорость мутации вируса измерить трудно. «Большинство этих мутаций будут смертельными для вируса, и вы никогда не увидите их в активно растущей, развивающейся популяции вирусов», - говорит Мански.

Вместо этого генетические обследования больных могут помочь определить так называемый уровень фиксации, который является мерой того, как часто накопленные мутации становятся «фиксированными» в вирусной популяции. В отличие от частоты мутаций, она измеряется за определенный период времени. По словам Даффи, чем больше распространяется вирус, тем больше у него возможностей для репликации, тем выше будет скорость его фиксации и тем больше вирус будет развиваться.

По оценкам ученых, для SARS-CoV-2 в популяции устанавливается одна мутация каждые 11 дней или около того. Но этот процесс не всегда может происходить в стабильном темпе.

В декабре 2020 года вариант B.1.1.7 привлек внимание ученых, когда его 23 мутации, казалось, внезапно возникли, когда вирус неистовствовал в Кенте, Англия. Некоторые ученые предполагают, что у хронически больного пациента было больше возможностей для репликации и мутации, а использование таких методов лечения, как выздоравливающая плазма, могло заставить вирус эволюционировать. Даффи отмечает, что не каждое изменение обязательно было полезно для вируса, но некоторые мутации позволили этому варианту быстро распространиться.

Широкий мир вирусов

Мутации стимулируют эволюцию, но это не единственный способ, которым вирус может со временем измениться. У некоторых вирусов, например гриппа, есть другие способы увеличить свое разнообразие.

Грипп состоит из восьми генетических сегментов, которые можно перегруппировать - процесс, называемый перегруппировкой, - если несколько вирусов заражают одну клетку для одновременной репликации. Поскольку вирусное потомство упаковано в свои белковые капсулы, сегменты РНК родительских вирусов могут быть смешаны и сопоставлены, как вирусные Legos. Этот процесс может вызвать быстрые сдвиги в вирусной функции. Например, повторная сортировка штаммов гриппа, циркулирующих у свиней, птиц и людей, привела к пандемии гриппа H1N1 2009 года.