Четыре способа, которыми вирус, вызывающий COVID-, изменил науку

Пять лет назад Кей Сато готовился к следующему большому испытанию, когда оно ударило его – и весь мир – по лицу. Недавно вирусолог основал независимую группу в Токийском университете и пытался занять нишу в многолюдной области исследований ВИЧ. «Я подумал: «Что я могу сделать в ближайшие 20 или 30 лет?»»

Он нашел ответ в SARS-CoV-2, вирусе, ответственном за пандемию COVID-19. быстро распространяется по всему миру. В марте 2020 года, когда ходили слухи о том, что Токио может столкнуться с карантином, который остановит исследовательскую деятельность, Сато и пять студентов сбежали в лабораторию бывшего консультанта в Киото. Там они начали изучать вирусный белок, который SARS-CoV-2 использует для подавлять ранние иммунные реакции организма. Вскоре Сато основал консорциум исследователей, который опубликовал не менее 50 исследований вируса.

Всего за пять лет SARS-CoV-2 стал одним из наиболее тщательно изученных вирусов на планете. По данным базы данных цитирования Scopus, исследователи опубликовали около 150 000 исследовательских статей на эту тему. Это примерно в три раза превышает количество статей, опубликованных по ВИЧ за тот же период. На данный момент ученые также создали более 17 миллионов последовательностей генома SARS-CoV-2, больше, чем для любого другого организма. Это дало беспрецедентное представление о том, как вирус менялся по мере распространения инфекций. «Появилась возможность увидеть пандемию в реальном времени и в гораздо более высоком разрешении, чем когда-либо прежде», — говорит Том Пикок, вирусолог из Института Пирбрайта, недалеко от Уокинга, Великобритания.

Теперь, когда чрезвычайная фаза пандемии отошла в зеркало заднего вида, вирусологи подводят итоги того, что можно узнать о вирусе за такой короткий промежуток времени, в том числе его эволюция и его взаимодействие с людьми-хозяевами. Вот четыре урока пандемии, которые, по мнению некоторых, могут расширить возможности глобальный ответ на будущие пандемии — но только в том случае, если научные учреждения и учреждения общественного здравоохранения готовы их использовать.

Вирусные последовательности рассказывают истории

11 января 2020 года Эдвард Холмс, вирусолог из Сиднейского университета, Австралия, поделился на форуме по вирусологии тем, что большинство ученых считает первой последовательностью генома SARS-CoV-2; он получил данные от вирусолога Чжан Юнчжэнь в Китае.

К концу года ученые отправили более 300 000 последовательностей в хранилище, известное как Глобальная инициатива по обмену всеми данными о гриппе (ГИСАИД). Скорость сбора данных после этого только возросла по мере распространения тревожных вариантов вируса. Некоторые страны вложили огромные ресурсы в секвенирование SARS-CoV-2: Великобритания и США вложили более 8,5 миллионов (см. «Ралли вирусного генома»). Между тем, ученые из других стран, включая Южную Африку, Индию и Бразилию, показали, что эффективный надзор может выявить тревожные варианты в условиях ограниченных ресурсов.

Во время более ранних эпидемий, таких как вспышка Эболы в Западной Африке в 2013–2016 годах, данные секвенирования поступали слишком медленно, чтобы можно было отследить, как вирус менялся по мере распространения инфекции. Но быстро стало ясно, что последовательности SARS-CoV-2 будут появляться в беспрецедентных объемах и темпах, говорит Эмма Ходкрофт, геномный эпидемиолог из Швейцарского института тропического и общественного здравоохранения в Базеле. Она работает над попытка под названием Nextstrain, которая использует данные генома для отслеживания вирусов, таких как грипп, чтобы лучше понять их распространение. «Мы разработали так много таких методов, которые теоретически могли бы быть очень полезными», — говорит Ходкрофт. «И внезапно, в 2020 году, у нас появилась возможность смириться и появиться».

Первоначально данные секвенирования SARS-CoV-2 использовались для проследить распространение вируса в его эпицентре в Ухане, Китай, а затем и по всему миру. Это ответило на ключевые ранние вопросы, например, распространяется ли вирус в основном между людьми или из одних и тех же животных источников к человеку. Данные раскрыли географические маршруты, по которым распространялся вирус, и показали их гораздо быстрее, чем это могли бы сделать традиционные эпидемиологические расследования. Позже начали появляться более быстро передающие варианты вируса, и лаборатории секвенирования были переведены в гипердвигатель. Глобальный коллектив ученых и любителей, занимающихся отслеживанием вариантов, постоянно просматривал данные о последовательностях в поисках тревожных вирусных изменений.

«Стало возможно отслеживать эволюцию этого вируса в мельчайших подробностях, чтобы увидеть, что именно меняется», — говорит Джесси Блум, биолог-эволюционист вирусов из Онкологического центра Фреда Хатчинсона в Сиэтле, штат Вашингтон. Имея на руках миллионы геномов SARS-CoV-2, исследователи теперь могут вернуться назад и изучить их, чтобы понять ограничения на эволюцию вируса. «Это то, чего мы никогда раньше не могли сделать», — говорит Ходкрофт.

Вирусы меняются больше, чем ожидалось

Поскольку никто никогда раньше не изучал SARS-CoV-2, ученые пришли к собственным предположениям о том, как он будет адаптироваться. Многие руководствовались опытом борьбы с другим РНК-вирусом, вызывающим респираторные инфекции: гриппом. «У нас просто не было много информации о других респираторных вирусах, которые могут вызывать пандемии», — говорит Ходкрофт.

Грипп распространяется преимущественно через приобретение мутацийкоторые позволяют ему уклоняться от иммунитета людей. Поскольку до 2019 года никто никогда не был инфицирован SARS-CoV-2, многие ученые не ожидали увидеть серьезных изменений в вирусе до тех пор, пока на него не окажет существенное давление иммунная система людей, либо через инфекции, либо, что еще лучше, через вакцинацию.

Появление более быстрых и смертоносных вариантов SARS-CoV-2, таких как Альфа и Дельта, уничтожило некоторые ранние предположения. Даже к началу 2020 года в SARS-CoV-2 было обнаружено единственное изменение аминокислоты, которое существенно ускорило его распространение. Многие другие последовали бы за ним.

«Что я ошибся и не ожидал, так это то, насколько сильно это изменится фенотипически», — говорит Холмс. «Вы видели это удивительное ускорение заразности и вирулентности». Это позволило предположить, что SARS-CoV-2 не был особенно хорошо приспособлен к распространению между людьми, когда он появился в Ухане, городе-миллионнике. Он вполне мог бы провалиться в менее густонаселенной местности, добавляет он.

Холмс также задается вопросом, была ли головокружительная скорость наблюдаемых изменений просто результатом того, насколько тщательно отслеживали SARS-CoV-2. Увидят ли исследователи такую ​​же скорость, если они будут наблюдать за появлением нового для населения штамма гриппа, с тем же разрешением? Это еще предстоит определить.

Первоначальные гигантские скачки, предпринятые SARS-CoV-2, имели один единственный плюс: они не оказали радикального влияния на защитный иммунитет, обеспечиваемый вакцинами и предыдущими инфекциями. Но ситуация изменилась с появлением в конце 2021 года варианта Омикрона, который был наполнен изменениями в своем «шиповом» белке, которые помогали ему уклоняться от реакции антител (шиповый белок позволяет вирусу проникать в клетки-хозяева). Такие ученые, как Блум, были ошеломлены тем, как быстро эти изменения появились в последовательных постомикронных вариантах.

И это даже не самый удивительный аспект Омикрона, говорит Равиндра Гупта, вирусолог из Кембриджского университета, Великобритания. Вскоре после появления этого варианта его команда и другие заметили, что, в отличие от предыдущих вариантов SARS-CoV-2, таких как Delta, которые благоприятствовали клеткам нижних дыхательных путей легких, Омикрон предпочитал заражать верхние дыхательные пути. «Задокументировать, что вирус изменил свое биологическое поведение во время пандемии, было беспрецедентно», — говорит Гупта.