Открити са 12 000 мутации в генома на SARS-CoV-2. Как ще се отрази това на пандемията?

При избухването на пандемията с COVID-19 Дейвид Монтефиори започва да разсъждава как смъртоносният вирус, който я причини, може да се променя, преминавайки от човек на човек. Монтефиори е вирусолог, който е прекарал голяма част от кариерата си, изучавайки как случайните мутации на ХИВ му помагат да избегне имунната система. Това го кара да се замисли дали същото може да се случи и със SARS-CoV-2.

През март Монтефиори, който ръководи лаборатория за изследване на ваксини срещу СПИН в университета Дюк в Дърам, Северна Каролина, се свързва с Бет Корбер, експерт по еволюцията на ХИВ и негов дългогодишен сътрудник. Корбер, която работи като експерт по изчислителна биология вт Националната лаборатория в Лос Аламос (LANL) в Ню Мексико, вече е започнала да прави оценка на мутации на хиляди генетични последователности на коронавируса. Тя смята, че тези мутации е възможно да са променили свойствата на вируса, докато той си проправя път през света.

В сравнение с ХИВ, SARS-CoV-2 се променя много по-бавно, докато се разпространява. Една мутация обаче заковава вниманието на Корбер. Тя е в гена, кодиращ шиповия протеин, който помага на вирусните частици да проникнат в клетките. 

Корбер забелязва, че мутацията се появява отново и отново в проби от хора с COVID-19. В 614-та аминокиселинна позиция на шиповия протеин, аминокиселиният аспартат (D, като биохимично съкращение) редовно се заменя с глицин (G) поради грешка при копиране, която променя един нуклеотид в 29 903-буквения РНК код на вируса . Вирусолозите наричат тази промяна мутация D614G.

През април Kорбер, Монтефиори и други учени предупреждават в предпечатна статия, публикувана на сървъра на bioRxiv, че „честотата на D614G нараства с тревожна скорост“. Тази мутация бързо се превърна в доминиращата линия на SARS-CoV-2 в Европа и след това се утвърди в САЩ, Канада и Австралия. „D614G представлява „по-трансмисивна форма на SARS-CoV-2“, която се е появила като продукт на естествения подбор“, се казва в публикацията.

Тези твърдения притесняват много учени. Дотогава не е ясно, че вирусната линия D614G е по-трансмисивна или че нейното увеличаване показва нещо необичайно. Предупреждението се разпространява бързо в медиите. Въпреки че авторите правят определени уговорки в статията, някои медии илизат с гръмките заглави, че вирусът мутира, за да стане по-опасен. В ретроспекция Монтефиори казва, че той и колегите му съжаляват, че са определили възхода на мутацията като „тревожен“. В рецензирана версия на техия труд, публикувана на 2 юли, думата „тревожен“ отпада от статията.

Изследването на двамата учени обаче предизвиква огромен интерес към D614G. Дори изследователи, които до този момент са скептични, че мутацията е променила свойствата на вируса, 

се съгласяват, че тя е впечатляваща с нейния възход и повсеместност. В продължение на месеци този варант на вируса е открит в почти всички секвенирани проби на SARS-CoV-2. „Този вариант сега е пандемията, затова свойствата му са от значение “. Това пише за констатациите на Корбер и Монтефиори Нейтън Грюбо, вирусен епидемиолог от Йейлското училище за обществено здраве в Ню Хейвън.

С напредването на времето вече има малко повече яснота по тази мутация. Някои експерименти предполагат, че вирусите, носещи този вариант, заразяват клетките по-лесно.

Според друго изследване, благодарение на откриването на мутацията, е възможно ваксините да се насочат по-лесно към SARS-CoV-2. Мнозинството от учените обаче смята, че все още липсва твърдо доказателство, че D614G има значителен ефект върху разпространението на вируса или че процесът на естествен подбор обяснява неговото нарастване. Изучаването на мутациите в детайли обаче може да бъде важно за контролиране на пандемията. Може също да помогне за предотвратяване на най-тревожните мутации -  тези, които биха могли да помогнат на вируса да избегне имунната система, ваксините или терапиите с антитела.

Бавна промяна

Скоро след откриването на SARS-CoV-2 в Китай, изследователите започнаха да анализират вирусни проби и да публикуват генетичните кодове онлайн.  

Вирусите, които кодират своя геном в РНК, като SARS-CoV-2, ХИВ и грип, са склонни бързо да правят мутации, тъй като се копират вътре в своите гостоприемници. Данните от секвенирането предполагат, че коронавирусите се променят по-бавно от повечето други РНК вируси, вероятно поради „коректурен“ ензим, който коригира потенциално фатални грешки при копиране. Типичният вирус на SARS-CoV-2 натрупва само две еднобуквени мутации на месец в своя геном. Тази скорост на промяна е около половината от скоростта на промяна на грипа и една четвърт от тази на ХИВ, казва Ема Ходкрофт, молекулярен епидемиолог от университета в Базел , Швейцария.

Други данни за генома подчертават тази стабилност - над 90 000 изолати са секвенирани и публикувани (www.gisaid.org). Два вируса на SARS-CoV-2, събрани от която и да е точка на света, се различават средно само с 10 РНК букви от общо 29 903, обяснява Люси Ван Дорп, специалист по генетичен алгоритъм от Университетския колеж в Лондон. 

Въпреки бавната скорост на мутация на вируса, изследователите са каталогизирали повече от 12 000 мутации в геноми на SARS-CoV-2. Смята се, че много от тях няма да имат последици за способността на вируса да се разпространява или да причинява заболяване, защото не променят формата на протеина. 

Много изследователи подозират, че ако мутацията е помогнала на вируса да се разпространи по-бързо, вероятно това се е случило по-рано, когато вирусът за първи път се е прехвърлил върху хората или е придобил способността да се пренася ефективно от един човек на друг. 

По-бързо разпространение?

Когато Корбер вижда бързото разпространение на D614G, тя започва да мисли, че може би е намерила пример за смислен естествен подбор. Мутацията привлича вниманието й заради позицията й в шиповия протеин, който е основна мишена за „неутрализирането“ на антителата, които се свързват с вируса и го правят неинфекциозен. 

Междувременно вирусите с мутация се увеличават в различни части на на света. D614G е забелязан за първи път във вируси, събрани в Китай и Германия в края на януари, като повечето учени подозират, че мутацията е възникнала в Китай. Сега той почти винаги е придружен от три мутации в други части на генома на SARS-CoV-2, които са възможни доказателства, че повечето вируси D614G имат общ предшественик.

Бързият възход на D614G в Европа привлича вниманието на Корбер. Преди март - когато голяма част от континента влиза във фаза на заклюване (lockdown) - присъстват както немутирани вируси „D“, така и мутирали вируси „G“. Вирусите D преобладават в повечето от западноевропейските страни, в които са направени генетични проби по онова време. През март честота на вирусите G нараства из целия континент и до април те са доминиращи.

Естественият подбор в полза на G вирусите не е единственото или дори най-вероятното обяснение за този модел. Европейското доминиране на G вариантите може да бъде просто случайно - ако например мутацията е малко по-често срещана при вирусите, пристигнали в Европа. Изглежда, че малък брой хора са отговорни за по-голямата част от разпространението на вируса и един ранен възможен наклон в полза на G вируси може да обясни очевидния курс на линията сега. Такива „ефекти на основателя“ са често срещани при вирусите, особено когато се разпространяват, без да са проверени и изследвани, както става със SARS-CoV-2 в голяма част от Европа до края на март.

Корбер и колегите й се опитват да изключат „ефекта на основателя“, като в статия от април обясняват, че D614G бързо е станал доминиращ в Канада, Австралия и части от Съединените щати (изключение е Исландия, където G вирусите, присъстващи в началото на избухването на пандемията, са изпреварени от D вируси). Анализирайки данните за хоспитализация от Шефилд, Великобритания, екипът не открива доказателства, че вирусите, носещи мутацията, са разболявали повече хората. Заразените с G вируси изглежда обаче са имали малко по-високи нива на вирусна РНК в носа и устата си, отколкото тези с D вируси.

Много учени не отдават значение на факта, че възходът на D614G е забележителен. Монтефиори обяснява, че неговото и на Корбер виждане за D614G се е формирало на базата на работа им върху ХИВ. При нея те са установили, че дори привидно незначителни мутации могат да имат дълбоко въздействие върху това как имунната система разпознава този вирус. „Бяхме разтревожени от това и трябва да видим дали това има ефект върху ваксините“, казва той.

Бързи лабораторни изследвания

За да проучи допълнително дали D614G прави вируса по-трансмисивен, Монтефиори прави оценка на ефектите му в лабораторни условия. Няколко екипа по света правят същото. Експериментите сочат едно и също заключение: 

Вирусите, носещи G мутация заразяват клетки много по-умело, отколкото D вирусите - до десет пъти по-ефективно, в някои случаи.

„При лабораторните тестове „всички се съгласяваме, че мутацията от D до G прави частиците по-инфекциозни“, казва Джереми Любан, вирусолог от Медицинското училище в Университета на Масачузетс в Уорчестър.

Сега някои лаборатории работят с инфекциозни вируси на SARS-CoV-2, които се различават само по една аминокиселина. Те се тестват в лабораторни култури на човешки белодробни и дихателни клетки, както и върху лабораторни животни като порове и хамстери. Първото от тези проучвания, ръководено от изследователи от Медицинския клон на Университета в Тексас в Галвестън, е оповестено на 2 септември. При него е установено е, че вирусите с мутация са по-инфекциозни от вирусите D в човешката белодробна клетъчна линия и в тъканите на дихателните пътища и че мутиралите вируси присъстват в по-високи нива в горните дихателни пътища на заразените хамстери.

Реинфекции с коронавирус: три въпроса, които задават учените

Най-ясният знак, че D614G има ефект върху разпространението на SARS-CoV-2 при хората, идва от амбициозните усилия на Британският консорциум за геномите на COVID-19. Консорциумът анализира геноми от около 25 000 вирусни проби. От тях изследователите са идентифицирали повече от 1300 случая, в които вирус е влязъл в Обединеното кралство и се е разпространил, включително примери за вируси от тип D и G.

Екипът от британски учени изследва разпространението във Великобритания на 62 COVID-19 клъстера, посяти от D вируси и 245 от G вируси. Той не открива клинични разлики при хора, заразени с двата вируса. Въпреки това, G вирусите обикновено се предават малко по-бързо от родовете вируси, които не са променени, и образуват по-големи групи от инфекции. Разликата в скоростта на придвижване на мутиралия вирус в сравнение с немутиралия се движи около 20%.

Възможно е D614G да е адаптация, която помага на вируса да зарази клетките или да се конкурира с вируси, които не носят мутацията, смятат учените.

Интензивното проучване на D614G  се очаква да помогне в обяснението как SARS-CoV-2 се слива с клетките. Този процес би помогнал да се разбере как вирусът би могъл да лъде блокиран от лекарства или ваксини. 

Все още няма спасение от антитела

Повечето налични доказателства сочат, че D614G не спира неутрализиращите антитела на имунната система да разпознават SARS-CoV-2, каквито притеснения има преди месеци Монтефиори. Това може да се дължи на факта, че мутацията не е в рецептор-свързващия домейн на шиповия протеина (RBD) - регион, към който се насочват много неутрализиращи антитела: RBD се свързва с клетъчно-рецепторния протеин ACE2, което е ключова стъпка в навлизането на вируса в клетките.

Появават се обаче доказателства, че други мутации могат да помогнат на вируса да избегне някои антитела. 

Екип, ръководен от вирусолозите Теодора Хацияну и Пол Биениас от Университета „Рокфелер“ в Ню Йорк, генетично модифицира вируса на везикуларния стоматит - патоген на добитъка - така че да използва протеина SARS-CoV-2 за заразяване на клетките и да го отглежда в наличието на неутрализиращи антитела. Целта им е да изберат мутации, които дават възможност на шиповия протеин да избегне разпознаването на антитела. Експериментът генерира мутантни протеини, коитоса устойчиви на антитела, взети от кръвта на хора, възстановили се от COVID-19, както и на мощни „моноклонални“ антитела, които се разработват в терапии. Всяка една от шиповите мутации е открита във вирусни последователности, изолирани от пациенти. 

Други учени се опитват да изпреварят еволюирането на SARS-CoV-2, като прогнозират кои мутации вероятно ще бъдат важни. 

Как може да се развие пандемията през 2021 г. и след това?

Изследователите не са тествали дали някоя от мутациите позволява на вируса да осуети действието на антителата, но резултатите от проучванията предполагат, че такива промени са възможни. „Възможно е, но в никакъв случай не е сигурно, че вирусът ще придобие мутации, които ще променят чувствителността му към антитела и имунитет“, казва Джеси Блум, еволюционен вирусолог от Центъра за изследване на рака „Фред Хътчинсън“ в Сиатъл, Вашингтон.

Въз основа на опита с други коронавируси, това може да отнеме години. Проучванията на простудни коронавируси, взети през няколко сезона, са идентифицирали някои признаци на еволюция в отговор на имунитета. Но темпът на промяна е бавен, казва Волкер Тиел, РНК вирусолог от Института по вирусология и имунология в Берн. „Тези щамове остават горе-долу постоянни“, допълва той.

Тъй като по-голямата част от света все още е податлива на SARS-CoV-2, е малко вероятно имунитетът в момента да е основен фактор в еволюцията на вируса. Тъй като обаче имунитетът в цялата популация се повишава, независимо дали чрез инфекция или ваксинация, постоянното изтичане на имуноизбягващи мутации може да помогне на SARS-CoV-2 да се утвърди трайно. Той може потенциално да причинява предимно леки симптоми, когато заразява лица, които имат някои остатъчен имунитет имунитет от предишна инфекция или ваксинация. Учените твърдят, че не биха се изненадали, ако този вирус се задържи като често срещан вирус, причиняващ настинка. 

Също така обаче е възможно и човешките имунни отговори на коронавирусни инфекции, включително на SARS-CoV-2, да не са достатъчно силни или дълготрайни, за да генерират селекционен натиск, който води до значително променени във вирусни щамове.

Тревожните мутации също могат да станат по-чести, ако терапиите с антитела не се използват разумно – например, ако хората с COVID-19 получат едно антитяло, което може да бъде осуетено от една вирусна мутация. Коктейлите от моноклонални антитела, всяко от които може да разпознае множество региони на шиповия протеин, е възможно да намали вероятността подобна мутация да бъде благоприятна чрез естествен подбор, казват изследователите. Ваксините предизвикват по-малко безпокойство по този показател, тъй като, подобно на естествения имунен отговор на организма, те са склонни да предизвикат редица антитела.

Възможно е дори промяната в D614G да направи вируса по-лесна мишена за ваксини, установи екипът на Монтефиори в проучване, публикувано в bioRxiv през юли. Мишки, маймуни и хора, които са получили една от редицата експериментални РНК ваксини, включително и тази, разработена от производителя на лекарства Pfizer в Ню Йорк, произвеждат антитела, които се оказват по-мощни при блокиране на G вируси, отколкото D вируси.

С G вирусите, които вече са повсеместни, откритието е „добра новина“, казва Монтефиори. Но като учен, който е наблюдавал как ХИВ мутира, за да избегне много ваксини, разработени срещу него, той остава предпазлив по отношение на потенциала на SARS-CoV-2 да избегне отпора на човечеството. Любан се съгласява: „Трябва да държим очите си отворени за допълнителни промени.“

По сп. „Nature“