Птичий грипп может эволюционировать

Ученые выяснили, что вирус птичьего гриппа H5N1, потенциально передаваемый воздушно-капельным путем между людьми, способен эволюционировать в природе. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

До настоящего времени считалось, что вирус H5N1, известный как возбудитель птичьего гриппа, может передаваться от птиц к человеку, однако от человека к человеку не передается (или в очень редких случаях). Но результаты недавних исследований, опубликованные в журналах Science (Herfst, Fouchier и др) и Nature (Imai, Kawaoka и др.), показали, что при наличии пяти мутаций (аминокислотных замен) или четырех мутаций и рекомбинации вирус H5N1 приобретает способность передаваться воздушно-капельным путем между млекопитающими, и, возможно, между людьми. Тем не менее, до недавнего времени не было известно, эволюционируют ли эти мутации в природе.

Научная группа из Университета Кэмбриджа (University of Cambridge, Великобритания) под руководством профессора Дерека Смита (Derek Smith) и доктора Колина Расселла (Colin Russell) проанализировала все доступные данные по изучению вируса H5N1 за последние 15 лет, сфокусировавшись на исследованиях на птицах и людях. Ученые установили, что две из пяти мутаций, обнаруженных в исследуемых вирусах в лабораториях Фуше (Fouchier) и Каваока (Kawaoka), встречались практически во всех существующих штаммах вируса. Кроме того, исследователи отметили, что многие вирусы имели обе мутации.

Колин Расселл, член Королевского Университетского Исследовательского Общества при Университете Кэмбриджа (Royal Society University Research Fellow at the University of Cambridge), рассказывает: «Вирусы, имеющие обе мутации, уже обычны среди птиц. Это означает, что таким вирусам нужно приобрести в человеке еще три дополнительные мутации, чтобы обрести способность к передаче воздушно-капельным путем между людьми. Ключевой вопрос в том, много это или мало».

Используя в работе математическую модель репликации и эволюции вирусов в хозяине-млекопитающем, ученые попытались ответить на ключевые вопросы и оценили влияние различных факторов на возможность возникновения трех мутаций в единственном хозяине или в короткой цепи передачи между хозяевами.

Факторами, повышающими вероятность возникновения мутаций, являются:

1. Случайные мутации. Механизм репликации вируса несовершенен и зачастую проходит с ошибками. В среднем, при каждой репликации возникает одна мутация в геноме в каждом новом вирусе. В организме инфицированного человека – миллиарды вирусных частиц; таким образом, реплицируется множество вирусов, и множественные мутации накапливаются в одном хозяине.

2. Положительный отбор. Если некоторые из возникших мутаций позволяют вирусу адаптироваться к млекопитающему, они делают вирус более гибким и, таким образом, способствуют положительному отбору и накоплению мутаций.

3. Длительная инфекция. Чем дольше человек инфицирован, тем дольше его организм производит новые вирусные копии, и тем больше времени доступно для накопления мутаций.

4. Функционально эквивалентные заместители. Наборы аминокислотных замен, определенные Фуше и Каваока, вероятно, не являются единственными комбинациями, обусловливающими способность передачи вируса воздушно-капельным путем. Вероятность возникновения этой способности растет с числом комбинаций.

5. Разнообразие вирусов внутри популяции птиц. Учитывая все мутации, вероятно возникающие в хозяине случайно, сохраняется возможность, что вирусы птиц, инфицирующие человека, должны иметь мутации, которые не будут определяться при рутинном наблюдении. Например, если из 100 вирусных частиц от одной птицы, инфицировавших человека, одна несет ключевую мутацию, вероятность достижения высокого уровня мутаций внутри одного хозяина повышается, даже если путем обычного секвенирования эта мутация не определяется.

6. Передача между млекопитающими. Если млекопитающие способны к передаче вирусов, имеющих некоторые, но не все необходимые замены, вероятность эволюционирования вируса в сторону распространения воздушно-капельным путем может увеличиться.

К факторам, снижающим вероятность эволюции мутаций, относятся:

1. Эффективный иммунный ответ. Он сокращает длительность инфекции и, таким образом, сокращает время накопления мутаций.

2. Делетирование замен. Если бы одна из замен, необходимых для воздушно-капельной передачи вируса, негативно сказывалась на его жизнеспособности, это могло бы замедлить накопление мутаций.

3. Порядок приобретения мутаций. В настоящий момент достоверно неизвестно, должны ли мутации, приводящие к воздушно-капельному распространению вируса, возникать в определенном порядке. Если так, то это, в целом, замедляет процесс их накопления.

«С имеющейся на данный момент информацией невозможно точно утверждать, что существует риск появления возможности передачи вируса между людьми воздушно-капельным путем. Однако результаты, позволяющие предположить, что оставшиеся три мутации могут возникнуть в единственном хозяине, делают эволюцию вируса в природе потенциально серьезной опасностью, - говорит Дерек Смит, профессор информатики инфекционных болезней в Университете Кэмбриджа, - Сейчас мы знаем, что эволюция вируса в природе – в области возможного, и что ее риск необходимо оценивать точнее».

Ученый советует сосредоточить будущие исследования на повышении качества оценки рисков возникновения вирусов, передающихся воздушным путем.

Во-первых, это необходимость дополнительного мониторинга в регионах, где для вирусов характерны аминокислотные замены, ответственные за распространение инфекции воздушно-капельным путем, а так же в регионах, связанных с первыми посредством миграции птиц и торговли. Кроме того, усиление наблюдения за мутациями, обладающими функциональным сходством с теми мутациями, которые ранее были обнаружены в лабораториях Фуше и Каваока.

Во-вторых, должно быть проведено направленное «глубокое» секвенирование вирусов H5N1 от единственного хозяина с целью выявления вирусов, накопивших критические мутации, даже если они составляют небольшую долю среди вирусов животного.

В-третьих, необходимы дальнейшие исследования для определения замен и их комбинаций, функционально подобных ранее обнаруженным в лабораториях Фуше и Каваока, и способных сделать вирус передающимся воздушно-капельным путем между млекопитающими.

В-четвертых, необходимы дальнейшие исследования для выявления изменений внутрихозяинной приспособленности и межхозяинной переносимости, связанных с каждой заменой и комбинацией замен, обусловливающих передачу вируса по воздуху.

«Ситуация сходна с оценками риска возникновения землетрясения или цунами. Мы не знаем в действительности, когда и где они произойдут. Однако в данном случае, усиливая наблюдения и исследования, ученые и сотрудники служб здравоохранения смогут увеличить точность оценки рисков и минимизировать их», - говорит профессор Смит.

Цветная трансмиссионная электронная микрофотография вируса птичьего гриппа А (H5N1) (золотого цвета), выращенного в линии клеток MDCK (зеленого цвета). (фото: CDC/Courtesy of Cynthia Goldsmith; Jacqueline Katz; Sherif R. Zaki)

По материалам University of Cambridge

Оригинальная статья:
Colin A. Russell, Judith M. Fonville, André E. X. Brown, David F. Burke, David L. Smith, Sarah L. James, Sander Herfst, Sander van Boheemen, Martin Linster, Eefje J. Schrauwen, Leah Katzelnick, Ana Mosterín, Thijs Kuiken, Eileen Maher, Gabriele Neumann, Albert D. M. E. Osterhaus, Yoshihiro Kawaoka, Ron A. M. Fouchier, and Derek J. Smith. The Potential for Respiratory Droplet–Transmissible A/H5N1 Influenza Virus to Evolve in a Mammalian Host. Science, 22 June 2012 DOI: 10.1126/science.1213362