Evolucija gripe: kako znanstveniki uporabljajo sekvenco genoma za napovedovanje prihodnosti

Evolucija je običajno zelo počasna, proces spremembe, ki traja tisoče ali milijone let.

Toda za gripo je evolucija hitra in smrtonosna. Virusi gripe se hitro spremenijo, da se izognejo obrambi telesa. Vsakih nekaj let se pojavijo nove variante gripe in povzročajo epidemije po vsem svetu.

Nadzor nad širjenjem gripe pomeni reševanje tega stalnega razvoja. Vsako leto morajo strokovnjaki iz Svetovne zdravstvene organizacije (SZO) kar najbolje ugotoviti, kako se bo virus spremenil, da bi izbral, kateri sevi gripe bodo vključili v letno cepivo.

To delo je težko in negotovo, napake pa imajo prave posledice. Po vsem svetu gripa vsako leto okuži več milijonov ljudi in povzroči več sto tisoč smrti. V letih, ko napovedi manjkajo znamenje in je gripa zelo različna od obtočnih sevov, je več ljudi izpostavljenih okužbam.

V zadnjih nekaj letih se je napredek v sekvenciranju genoma začel osvetliti začetke virusne evolucije, globoko znotraj posameznih okužb. Spraševali smo se, ali bi nam te informacije zaradi gripe omogočile zgodnji vpogled v prihodnje globalne evolucijske trende.

Kaj bi lahko okužba gripe pri posamezni osebi povedala o tem, kako se virus spreminja po vsem svetu? Kot se je izkazalo, presenetljiva količina.

Globoko v notranjosti okužbe

Vsak korak v razvoju gripe se začne z napako. Ker se virusi kopirajo znotraj okužene osebe, včasih mutirajo in ustvarjajo majhne spremembe v svojem genetskem načrtu.

Večina mutacij je škodljiva za virus, ker prekine stroj, ki ga potrebuje za delovanje. Ampak mutantni virus vse preživi in ​​celo uspeva. Virusi igrajo konstantno igro mačke in miške z človeškim imunskim sistemom. Včasih je mutantni virus dovolj drugačen, da se izogne ​​telesnemu obvestilu.

Mutantni virus s takšno prednostjo se lahko hitro razmnožuje in prevladuje nad okužbo. Sčasoma se lahko celo širi od osebe do osebe in od tam se začne širiti po vsem svetu.

V zadnjem času je postalo lažje slediti spreminjanju virusov v človeškem telesu. Isti napredek, zaradi katerega so človeški genomi poceni in enostavno zaporedje spreminjajo, kako proučujemo viruse. Za stroške sekvenciranja enega človeškega genoma lahko zaporedimo tisoče virusov iz celotne okužbe, da bi sledili novim mutacijam, ko se pojavijo.

Te mutacije nam lahko pokažejo, kako se virus odziva na zahtevna okolja v človeškem telesu. Za HIV, kjer okužbe pogosto trajajo že več let ali celo desetletja, je lahko evolucija precejšnja, celo znotraj ene same osebe. Še posebej se virusi v odgovor na protivirusno zdravljenje pogosto razvijajo odpornost na zdravila.

Spremljanje evolucije gripe v 4 dolgih okužbah

Pred kratkim smo sledili evoluciji virusov pri štirih bolnikih z rakom, ki so imeli okužbe z gripo, ki so trajali več mesecev. Večina okužb z gripo traja približno en teden, kar omejuje količino sprememb, ki se lahko pojavijo. Toda pri bolnikih s šibkim imunskim sistemom lahko okužbe trajajo dolgo časa s hudimi učinki.

Kako se je gripa spremenila v teh dolgih okužbah? S sekvenciranjem virusov iz različnih časov med okužbo in primerjanjem njihovih genomov smo lahko identificirali nove mutacije in sledili njihovim usodam.

Evolucija je delovala v nekaj tednih. Eden od očitnih primerov je bil odpor proti Tamiflu. Pacienti, ki smo jih preučevali, so jemali zdravilo za nadzor svojih okužb. Toda, kot v prejšnjih študijah, so se na koncu pojavili virusi, ki so prenašali mutacije proti drogam. Te mutacije lahko delno pojasnijo, zakaj so okužbe trajale tako dolgo.

Mutacije za odpornost na zdravila niso bile edine evolucijske spremembe, ki smo jih videli. Pol ducata mutantnih virusov, ki se med seboj nekoliko razlikujejo, bi včasih hkrati tekmovali v eni osebi.

Ti konkurenčni virusi so naredili evolucijo zapleteno zadevo. Mutacija, ki se je začela širiti en teden, bo včasih izumrla. Predvideva se, da ga je izkrivila še boljša mutacija.

V nekaterih primerih smo odkrili natančno iste mutacije pri virusih pri različnih bolnikih v naši študiji, čeprav smo lahko ugotovili, da se bolniki med seboj niso okužili. Le redko pričakujemo, da se takšne podobnosti zgodi zaradi naključja. Virusi so morda zadeli podobne prilagoditve kot odgovor na evolucijske izzive. Nekatere od teh mutacij so lahko pomagale virusu, da se izogne ​​imunskemu sistemu, in ponovil druge študije.

Napovedovanje prihodnosti

Še več, številne mutacije v teh bolnikih so se ujemale z mutacijami, ki so se kasneje širile po vsem svetu. V konicah zunanje plasti gripe, ki pomagajo virusu vstopiti v gostiteljske celice, se je mutacija N225D pojavila pri treh od štirih bolnikov v naši študiji. Do leta 2015, približno 8 let po okužbi naših bolnikov, je večina virusov gripe po vsem svetu nosila enako spremembo.

Za nas je bilo to nepričakovano. Evolucija je polna kompromisov in nekatere mutacije, ki pomagajo pri prilagajanju gripe ljudem, lahko upočasnijo njen prenos od osebe do osebe. Prav tako nismo vedeli, ali se bo razvoj takšnih nenavadno dolgih okužb z gripo ujemal z vzorci sprememb po vsem svetu.

Toda v naši raziskavi je razvoj gripe pri posameznikih pokazal presenetljive podobnosti z evolucijo po vsem svetu. Videli smo namige nekaterih globalnih evolucijskih trendov v samo nekaj posameznikih.

Ker se tehnologije še naprej izboljšujejo, je vedno lažje videti globoko v okužbah z gripo, kot smo to počeli. V laboratorijih SZO se vsako leto na tisoče ljudi seznani s sevi gripe za spremljanje razvoja gripe. Raziskovalci sekvencirajo vse več napetosti na načine, ki nam omogočajo, da ujamemo mutacije, ko se najprej pojavijo v posameznih ljudeh.

Vsak od teh tisočih okužb je kot ločen evolucijski eksperiment. S primerjavo mutacij, ki se pojavljajo pri različnih okužbah, lahko dobimo občutek za evolucijske možnosti in omejitve.

Nekateri podatki lahko pomagajo napovedati razvoj gripe. Zaenkrat vsaj razkriva nekatere dinamične procese evolucije, ki se odvijajo v vsakem izmed nas.

Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru Katherine Xue in Jesseja Blooma. Preberite izvirni članek tukaj.