Вирусный процесс. Как вирусы мутируют и почему важно делать прививки

Антигенный дрейф и сдвиг

Процесс, о котором сегодня знает, наверное, каждый, кто знает про грипп, даже если не знаком с термином. Все слышали, что нет смысла ставить прививку от гриппа, поскольку в каждую эпидемию гвоздем сезона становится новый штамм. На самом деле – не бесполезно, но насчет обновления все правильно. 

Штаммы вирусов постоянно мутируют, и к гриппу это относится в первую очередь. Его можно сравнить с текстом, который переписывают друг у друга разные авторы, и каждый обогащает историю новыми подробностями. Попадая в клетку, вирус начинается размножаться – реплицироваться, но не со стопроцентной точностью. Его наследственная информация считывается и воспроизводится в копиях с небольшими ошибками, неточностями. 

Это обычный процесс и для других организмов. Но, например, в клетках человека ему не дает разгуляться процесс репарации – исправления повреждений. Можно вообразить, что в наших клетках за точным копированием наследственной информации следит внимательный корректор, устраняющий ошибки в тексте. Вирусы на корректоре сэкономили – и не прогадали. Во время репликации вируса меняются несколько генов его РНК, которые кодируют важные поверхностные белки – гемагглютинин и нейраминидазу. Первый нужен, чтобы вирус «оседлал» клетку, а нейраминидаза – чтобы он мог без проблем покинуть одну жертву и найти новую. Для нашего организма эти белки являются антигенами – опасными агентами, против которых надо вырабатывать антитела. 

С антигенами, которые организм уже встречал, например, во время вакцинации, разговор получается короткий. Но когда антигены изменяются, из вируса получается новое «произведение», которое наш иммунитет, может, и «читал», но не узнает – «заголовок»-то изменился. Этот процесс замены и называется дрейфом антигенов. Возможно, вы слышали термин «дрейф генов» – это другое, это когда в популяции изменяется частота генов под действием случайных причин. Хотя есть в этих процессах и общее: сила случайности, дрейфующая пассивность, от которой в итоге зависит так много.

При помощи дрейфа антигенов могут быстро образовываться новые подтипы вирусов, а в перспективе – даже совершенно новые группы. Но если антигенный дрейф – это нечаянные опечатки в тексте, ошибки в словах, которые случаются с любыми типами вируса, то антигенный шифт (он же сдвиг), происходящий только с вирусами гриппа A, – это замена целых предложений. 

Антигены в этом случае заменяются полностью, чаще это происходит с гемагглютинином. К счастью, вирусы гриппа не стесняются так делать и в искусственных условиях, так что ученые могут использовать это свойство при создании вакцин. Правда, как мы уже знаем, очень часто они на шажок отстают от эволюционирующих вирусов. А бывает, что новорожденный штамм оказывается в принципе неподвластным лекарствам – резистентным, устойчивым. Например, вирус ВИЧ, который можно годами сдерживать благодаря антиретровирусной терапии, становится резистентным к лечению, если появляется в результате инфицирования клетки разными штаммами. Да и обычный грипп в таких случаях становится совершенно нетривиальным.

Реассортация 

Мутанты с чертами крылатых, хвостатых и копытных организмов одновременно, нападающие на животных и людей, – персонажи из второсортного ужастика. Но от реальности они совсем недалеко: самые страшные «произведения» вирусов создаются в соавторстве. 

Если в одной клетке встретятся два различных штамма вируса, они не будут вытеснять друг друга, а просто объединят усилия. Один штамм – «животный», а другой – «человечий»? Это удача! Гибрид на выходе возьмет все лучшее от «родителей», которые обменялись генами. «Родителей» при этом не обязательно двое: в 2009 году вирус H1N1, вызвавший пандемию свиного гриппа, был коктейлем, в котором смешалась генетическая информация свиного, птичьего и человеческого вирусов гриппа. 

Это не первый пример такого сотрудничества, а самая знаменитая пандемия – «испанка» – случилась в 1918 году. Штамм, который ее вызвал, был реассортантом – потомком евразийского вируса и североамериканского тройного реассортанта! Прочитав наш материал про «испанку», вы узнаете, что Испания в его появлении не виновата. Климат там не подходит для приготовления вирусного микса даже на теплом средиземноморском побережье. 

Лучшие условия для реассортации гриппа создаются в Юго-Восточной Азии, где жарко и влажно, где пролегают пути сезонных миграций перелетных водоплавающих птиц (главных резервуаров для вирусов с огромным разнообразием штаммов), а люди живут скученно и не слишком благополучно, то есть особенно восприимчивы к вирусам. И уже много тысячелетий разводят свиней – именно в этом регионе когда-то началось их одомашнивание. 

При чем тут свиньи? Они оказались идеальными «лабораториями» для появления химерных штаммов: свиньи одинаково восприимчивы к вирусам свиного, птичьего и человеческого гриппа, которые, перетасовывая свои геномы, создают возможности для новых пандемий. И если птичий вирус атакует клетки эпителия в пищеварительном тракте, а человеческий цепляется к эпителию дыхательных путей, то реассортант может поражать то и другое одновременно.

Рекомбинация

Процесс, похожий на реассортацию, – рекомбинация генов: если продолжать аналогию с текстами, в которой реассортация – это замена предложений, то рекомбинация – это замена абзацев. У вирусов гриппа она пока не описана, но не исключена.

В 1997 году в Гонконге скрещивание трех птичьих вирусов – утиного, гусиного и перепелиного – привело к появлению подтипа H5N1, которым заразились около 20 человек. Тогда его удалось остановить, уничтожив в регионе всю домашнюю птицу. Но в 2003 году этот вирус объявился в Китае и Вьетнаме, затем – в Индонезии, Камбодже и т. д. За 13 лет в 16 странах от птичьего гриппа погибло более 400 человек, заболело вдвое больше. 

В 2013 году компанию H5N1 составил H7N9 – тоже «пернатый» и не менее опасный. Все это время люди заражаются птичьим гриппом не друг от друга, а от кур, гусей и другой домашней птицы. Причина в том, что у людей и птиц вирусы атакуют разные рецепторы. Заболевший птичьим гриппом человек мало чихает и не распространяет заразу среди тех, с кем общается. Однако, как мы уже знаем, одна маленькая ошибка при репликации вируса способна апгрейдить птичий недуг, чтобы он начал свободно передаваться «из уст в уста».

Птичий и свиной грипп – самые известные иллюстрации того, как вирусы умеют перескакивать межвидовые барьеры. Но есть и примеры поэкзотичнее: например, MERS. Это не вирус гриппа, а, скорее, его дальний родственник: коронавирус, вызывающий респираторные и кишечные заболевания. Но нашего внимания он заслуживает. Второе его название – верблюжий грипп, поскольку переносчиком и источником заболевания являются верблюды.

MERS открыт совсем недавно, в 2012 году, в Саудовской Аравии, и первой его жертвой стал человек, у которого долго подозревали пневмонию. В 2013 году от верблюжьего гриппа умерли больше половины заразившихся – в процентном соотношении это больше, чем погибло от Эболы. 

Слаженная мутация

Это не термин – может быть, только пока, потому что ученые уже выяснили, что между мутациями в вирусных генах есть некая согласованность. Статья об этом опубликована в 2015 году в журнале PLOS Genetics. Группа российских и американских исследователей под руководством молекулярного эволюциониста Георгия Базыкина нашла способ обозначить пары мутаций в «соседних» генах и изучила последовательность мутаций гемагглютинина и нейраминидазы. 

Оказалось, что мутации в одном из белков часто облегчены предыдущими мутациями или компенсируются последующими мутациями в других белках. Особенно это касается нейраминидазы, мутация которой «отвечает» за сопротивляемость вакцинам. Осталось выяснить, как происходит это генетическое взаимодействие.

Результаты этого исследования наталкивают на мысль о том, что в эволюции вирусов, их генетических и негенетических взаимодействиях не так много «счастливых» (для кого как!) случайностей. Новая форма, созданная «креативным» антигенным шифтом, вызывает вспышку заболевания, а в эпидемию ее превращает рутинный антигенный дрейф.

иллюстрация: Lynn Scurfield/behance.net

инфографика: Link Studio for NIAID/commons.wikimedia.org

фото: Fayez Nureldine, AFP/nprilinois.org