Людство впорається з новим коронавірусом, але поки незрозуміло, якою ціною. У рівнянні під назвою «пандемія COVID-19» ще занадто багато невідомих, і багато залежить від того, що буде відбуватися з самим вірусом SARS-CoV-2. Він мутує, і неясно, чи стане він більш небезпечним або перетвориться на нешкідливий вірус, з яким ми будемо мирно співіснувати. Детальніше про те, як еволюціонують віруси, читайте в нашому матеріалі.
Навесні 1997 року у трирічного хлопчика в Гонконгу почалася хвороба, за всіма симптомами нагадувала звичайну застуду. Кашель і висока температура не проходили шість днів, через що маленького пацієнта доставили в Лікарню королеви Єлизавети.
Незважаючи на інтенсивну терапію, стан хлопчика тільки погіршувався, і врятувати його так і не вдалося. Близько місяця вірусологи аналізували зразки мокротиння хлопчика, намагаючись з'ясувати, що ж послужило причиною раптової смерті, але все марно. У підсумку, китайські фахівці вирішили відправити біологічний матеріал своїм американським колегам, які зуміли визначити, що винуватець - вірус грипу H5N1, або пташиного грипу.
За той рік пташиний грип діагностували ще у 18 осіб, шестеро з яких померли. Рівень смертності від H5N1 був вищим, ніж у «іспанки», яка стала причиною смерті понад 50 мільйонів осіб у ХХ століття.
Того разу людству крупно пощастило, оскільки вірус пташиного грипу тоді не набув здатності передаватися від людини до людини. Але все могло бути інакше, якби вірус H5N1 зустрівся з вірусом сезонного грипу, наприклад, в організмі свині. У таких випадках, коли відразу кілька вірусів проникають в клітку, відбувається їх реасортація - обмін генетичним матеріалом, в результаті чого виникають нові варіанти вірусів.
Джерела нових вірусів
Геном вірусів грипу складається з 8 окремих сегментів РНК, які збираються у віріони в клітці-господарі. Якщо клітина одночасно інфікується двома вірусами грипу, то це вже 16 сегментів, які можуть збиратися в різних комбінаціях. Теоретично 2 віруси грипу можуть давати 256 різних комбінацій.
Реасортація - один з основних механізмів появи пандемічних вірусів. Яскравий приклад - вірус А (H1N1) pdm09, що викликав пандемію в 2009 році. А (H1N1) pdm09 - продукт реасортації вірусів людини, свині та птахів в організмі свині.
Вірус H5N1 поки не «скооперувався» з іншими вірусами, тому утилізація птахів у місцях спалахів дозволяє швидко локалізувати хворобу, не даючи їй можливості поширитися на мільйони людей, чого не скажеш про новий коронавірус SARS-CoV-2.
Це не перший коронавірус, з яким зіткнулося людство. Про коронавірусів стало відомо ще в середині 1960-х років. У 2002 році коронавірус SARS-CoV став причиною епідемії важкого гострого респіраторного синдрому (ТОРС). Всього було зафіксовано 8437 випадків захворювання, з яких 813 закінчилися смертю хворих. Через 10 років став вирувати інший коронавірус - MERS-CoV, який викликав близькосхідний респіраторний синдром (БВРС), смертність якого становить 35 відсотків.
Обидва цих віруси, а також новий коронавірус SARS-CoV-2 потрапили до людини від кажанів. Але, на відміну від вірусу пташиного грипу, коронавіруси SARS-CoV і SARS-CoV-2 легко передаються від людини до людини.
Вірус MERS-CoV в основному передається від тварини до людини, а передача від людини до людини можлива лише при дуже тісному контакті, наприклад в сім'ї або між інфікованим пацієнтом і лікарем.
Віруси SARS-CoV і SARS-CoV-2 зуміли поширитися на людей завдяки тому, що S-білок корони вірусів за своєю структурою імітує ангіотензинпревращающий фермент 2. Завдяки цьому вони успішно зв'язуються з рецепторами ангіотензинпревращающего ферменту 2 АСЕ2 (їх багато на поверхні клітин легенів - альвеолоцитів), після чого впорскують свою РНК всередину клітини.
Порівняння вірусів SARS-CoV і SARS-CoV-2 показує, що в останнього сила пов'язування (аффінність) з рецептором АСЕ2 вище. У дослідженні китайських вчених показано, що основні відмінності між вірусами SARS-CoV і SARS-CoV-2 зосереджені між 435 і 510 амінокислотними залишками рецептор-сполучного домену (RBD). Це регіон рецептор-зв'язувального мотиву (RBM) RBD, що визначає специфічність до клітин-господаря.
Аналіз амінокислотних послідовностей RBM двох типів коронавірусів кажанів (RaTG13-CoV, Bat-CoV), коронавірусу панголінів (GD Pangolin-CoV) і SARS-CoV-2 показав п'ять ключових відмінностей в амінокислотній послідовності, які є загальними тільки для GD-PanGanGPin-in-ColGolGin-Cin-C.
Це дозволяє дослідникам припустити, що панголіни можуть розглядатися в якості потенційного проміжного господаря, в організмі яких могла відбутися рекомбінація.
На думку китайських дослідників, GD Pangolin-CoV передав вірусу RaTG13 гени, відповідальні за синтез RBD, завдяки чому новий вірус набув можливості долати міжвидовий бар'єр. Але це поки гіпотеза, оскільки схожість між двома вірусами може бути і підсумком конвергентної еволюції, коли два види незалежно один від одного набувають однаковий набір ознак через схожість умов проживання.
І SARS-CoV, і MERS-CoV вдалося порівняно швидко приборкати через високу смертність і відносно швидкий розвиток симптомів. Як не дивно, але чим більш смертоносний вірус, тим легше його локалізувати. Інша історія з SARS-CoV-2. У більшості випадків інфекція проходить в легкій формі, що дозволяє вірусу вигравати час і поширюватися далі.
Долаючи бар'єри
Існує кілька способів, за допомогою яких вірус здатний подолати міжвидовий бар'єр. Це мутації та рекомбінації.
Згадана вище реасортація генів є одним з видів рекомбінації і характерна для сегментованих вірусів (зокрема, вірусів грипу). Коронавіруси володіють несегментованою РНК, тому для них можливі інші варіанти рекомбінації, коли один з вірусів привносить в інший вірус якийсь фрагмент геному.
Другий механізм мінливості вірусів - це мутації. Оскільки реплікація РНК, на відміну від ДНК, відбувається без можливості репарації (виправлення помилок), то при синтезі РНК ймовірність появи помилок у 10 тисяч разів вища, ніж при реплікації ДНК.
При кожному реплікаційному циклі близько 10 відсотків РНК-вірусів мають мутації. Це може бути випадання або вставлення одного або декількох нуклеотидів. Мутації в РНК є одним з основних джерел антигенного дрейфу - зміни антигенних характеристик.
Вірусу SARS-CoV було «тіснувато» в організмі кажанів, чия імунна система прекрасно з ним справлялася. Він перекинувся на цивет (хижі ссавці в Азії та Африці), а потім вже потрапив до людей. Вірус MERS-CoV від кажанів «емігрував» до одногорбих верблюдів, які стали джерелом інфекції для людини.
Щодо нового коронавірусу SARS-CoV-2 проміжного господаря поки не встановили. Аналіз рецептор-зв'язувального домену S-протеїну вказує на те, що це можуть бути панголіни. Але є й інше дослідження з філогенетичного аналізу, в якому вчені припускають, що проміжного господаря немає, а вірус перекочував до людей безпосередньо від рукокрилих.
У всій цій історії з переміщеннями важливим є той факт, що на всьому протязі свого шляху віруси постійно мутують. До цього їх змушують зовнішні обставини.
При вірусній інфекції організм господаря запускає різні механізми захисту. Крім вироблення антитіл, це запуск програми апоптозу клітин, продукція інтерферону, який активує синтез протеїнкінази, що порушує синтез білків, у тому числі і вірусних. Також при вірусній інфекції збільшується синтез олігоаденілатсинтази, яка виступає в ролі РНКази, яка фрагментує РНК, в тому числі і вірусні.
Для того щоб вижити в організмі-господарі, віруси вдаються до трьох основних стратегій: «таємна присутність» дозволяє вірусу уникнути негайного розпізнавання імунною системою; «саботаж» веде до пошкодження захисних механізмів імунної системи; «експлуатація» націлена на використання імунної системи в своїх цілях. В даний час описані деякі молекулярні механізми, за допомогою яких віруси реалізують кожну з цих стратегій.
Наприклад, мутації епітопів (ділянок антигенів, яких розпізнає імунна система) є прикладом «таємної присутності», коли вірус ховається від імунітету. До тактики «саботажу» вдаються віруси герпесу, що зв'язують Fc-фрагменти імуноглобулінів, що блокує систему комплемента і нейтралізує антитіла. Тактику «експлуатації» успішно застосовує ВІЛ, інфікуючи циркулюючі клітини імунної системи.
Імунітет переможе
Більшість респіраторних вірусів, передаючись від людини до людини, втрачали свої позиції під пресом імунної системи. Такий феномен відомий як аттенуація (ослаблення). Найближчий родич нового коронавірусу - SARS-CoV - послабшав вже на середніх стадіях епідемії.
Як показали дослідження, віруси SARS-CoV, виділені з цивет і людини на ранніх етапах епідемії, відрізнялися від вірусів, виділених на пізніх стадіях. Найбільш разюча відмінність полягала у відсутності послідовності з 29 нуклеотидів у відкритій рамці зчитування (послідовність нуклеотидів, здатна кодувати білок) ORF8 у «пізніх» вірусів.
Подальші дослідження на клітинних культурах показали, що делеція в 29 нуклеотидів у вірусу SARS-CoV в ORF8 призвела до зменшення його реплікативної активності. Концентрація вірусних частинок з делетованою ділянкою в інфікованих клітинах була нижче в 23 рази.
За еволюцією SARS-CoV-2 пильно стежить не один десяток науково-дослідних установ. Міжнародна група вчених у режимі реального часу ділиться інформацією про нові мутації вірусу SARS-CoV-2 на ресурсі nextstrain.org.
Отримані відомості дозволили керівнику об'єднання обчислювальному біологу Тревору Бедфорду припустити, що перехід вірусу SARS-CoV-2 від кажана до проміжного господаря відбувся 20-70 років тому. Газеті Financial Times Тревор Бедфорд розповів, що всі зміни, що відбуваються з вірусом, вкладаються в логіку природної еволюції, звичайної для вірусів. Тим самим вчений спростував теорії про генно-інженерне створення вірусу.
На початку березня вийшла стаття китайських вчених про ідентифікацію двох форм вірусу SARS-CoV-2 - L і S. Дві форми відрізняються між собою лише двома однонуклеотидними поліморфізмами. При цьому більш рання S-форма вірусу є менш агресивною, ніж L-форма.
Понад 96 відсотків хворих в Ухані заразилися L-формою, в той час як в інших країнах на частку SARS-CoV-2 L-типу припадає трохи більше 60 відсотків випадків. Група вчених з Центру з вивчення вірусів Університету Глазго вважає такі висновки некоректними.
По-перше, на думку дослідників, двох однонуклеотидних поліморфізмів недостатньо для поділу вірусу на два типи. До моменту випуску статті було ідентифіковано 111 мутацій, які не мають істотного впливу на функціональний контекст.
По-друге, шотландські експерти акцентують увагу на тому, що превалювання L-типу вірусу не обов'язково вказує, що він легше передається. Щоб стверджувати подібне, необхідно проведення дослідження з перевіркою нульової гіпотези, що передбачає рівні швидкості передачі інфекції, чого не було зроблено дослідниками з Китаю.
Перші обнадійливі зміни у вірусі SARS-CoV-2 помітили 11 березня в Сінгапурі. Це ділеція величезного шматка все в тій же OFR8 (як і у SARS-CoV і MERS-CoV) розміром цілих 382 нуклеотиди.
Поки вчені не беруться робити однозначні висновки щодо реплікативних властивостей зміненого вірусу. Враховуючи той факт, що делеції в ORF8 вірусів SARS-CoV призводили до зміни в роботі N-білка вірусу, що відповідає за реплікацію, дослідники припускають, що і в даному випадку мова йде про аттенуацію вірусу.
Повернення «блудного» вірусу
Виникає закономірне питання - це перша і остання зустріч з SARS-CoV-2 чи нам доведеться зіткнутися з ним ще раз після закінчення пандемії? Нагадаємо, що пандемія іспанки затихла в липні-серпні 1918 року, а восени прийшла друга, більш смертоносна хвиля.
На питання про можливу повторну зустріч з вірусом SARS-CoV-2 зараз відповісти складно. Якщо все піде шляхом значного ослаблення вірусу, то в кінцевому підсумку він перетвориться на один з небезпечних циркулюючих вірусів, що викликають застуди.
Якщо придивитися до вірусу SARS-CoV (що викликає ТОРС), то повторних спалахів зараження цим вірусом не було. Епідемія почалася в листопаді 2002 року, а закінчилася в червні 2003-го.
У 2004 році був спалах атипової пневмонії в Китаї, проте це сталося через контакт співробітника однієї з китайських лабораторій зі зразком вірусу SARS-CoV. Передачі від людини до людини або від тварини до людини починаючи з червня 2003 року зафіксовано не було. При цьому вірус як і раніше живе в кажанах і циклітах, і ніхто не знає, чи буде повторне зараження людини.
Що стосується коронавірусу MERS-CoV, то він все ще дає про себе знати. Після 2013 року спалах MERS зафіксували в Південній Кореї. Діагноз підтвердився у 182 пацієнтів, 33 з яких померли від атипової пневмонії. У 2019 році зафіксовано 212 випадків зараження і 57 випадків смерті в Саудівській Аравії та Омані. Згідно з даними ВООЗ, 9 і 13 січня 2020 року лабораторно підтвердили два випадки зараження вірусом MERS-CoV в Об'єднаних Арабських Еміратах.
Якими будуть вакцини
У боротьбі з новим коронавірусом великі надії покладають на вакцини, її розробкою займаються безліч лабораторій. Однак швидко мінливий геном вірусу SARS-CoV-2 поки не дозволяє вченим гарантувати повний успіх. На сьогодні поточні мутації ніяк не ускладнили пошук вакцини, але що буде через місяць-два, спрогнозувати складно.
Допомагають вченим і вже наявні напрацювання з вакцин проти вірусу SARS-CoV. Близько 23 відсотків Т-клітинних і 16 відсотків В-клітинних епітопів є консервативними для обох вірусів. Це дає підставу вважати, що подальші мутації, швидше за все, не будуть зачіпати ці епітопи.
Найбільш простий спосіб - створити вакцину на основі аттенуйованого або вбитого вірусу, але такі вакцини мають велику кількість побічних ефектів, а крім того, вони більш чутливі до умов зберігання. Другий різновид - рекомбінантні вакцини, що представляють собою суб'єдиницю S-білка вірусу SARS-CoV-2, синтезовану дріжджами або бактеріями. Ця вакцина не містить вірусного матеріалу, тому спектр її побічних дій вкрай низький.
І третій різновид - РНК- або ДНК-вакцини, що представляють собою генно-інженерну конструкцію, яка при попаданні в організм починає синтезувати білки вірусу SARS-CoV-2. Переваги РНК- і ДНК-вакцин у тому, що вони забезпечують не тільки гуморальний імунітет (вироблення антитіл), а й специфічний клітинний імунітет - активацію макрофагів, натуральних кілерів і цитотоксичних Т-лімфоцитів. У США вже почалися випробування нової вакцини на добровольцях.