Пути развития коронавируса. Могут ли ученые их предсказать?

В конце прошлого года три различных и быстро распространяющихся варианта коронавируса наблюдались в Великобритании, Южной Африке и Бразилии. В последнее время вызывают тревогу варианты в Индии, США и других странах. Предвещает ли появление этих вариантов затяжную борьбу с пандемией, или вирус скоро исчерпает эволюционное пространство для маневра и осядет в качестве более доброкачественного эндемичного патогена?

Прогнозы об эволюционном ходе вируса и, в частности, об изменениях вирулентности всегда будут полны неопределенности. Причуды случайной мутации РНК, хаотические модели передачи и распространения и частично понятые силы естественного отбора создают проблемы даже для самых проницательных предсказателей эволюции. Тем не менее, устоявшиеся эволюционные концепции в сочетании с огромным количеством данных о самом вирусе могут, по крайней мере, дать некоторые ориентиры. SARS-CoV-2 – вирус, вызывающий COVID-19, проник в организм человека от неизвестного животного-хозяина и тем самым вошел в новое эволюционное пространство, полное препятствий, угроз, тупиков и – очень редко – возможностей. Это пространство сложно представить и измерить. Он досадно многомерен, и его границы и топографии можно рассматривать со многих эзотерических точек зрения.

Фото: https://ria.ru/

Несложная отправная точка – рассмотреть верхние пределы разнообразия геномных последовательностей или границы мутационного пространства. Предположим, что геном SARS-CoV-2 состоит из 30 000 сайтов, каждый из которых может быть занят одним из четырех оснований (аденином, цитозином, гуанином и урацилом). Отсюда следует, что существует более квинтиллиона (четыре в степени 30) возможных последовательностей генома, что примерно эквивалентно ширине Млечного Пути в метрах. Но этот математический предел не учитывает биологию и как таковой совершенно бесполезен. Вряд ли какой-либо из этих гипотетических геномов может кодировать вирус, способный инфицировать и размножаться. Это основное требование поддерживать вирусный механизм в рабочем состоянии – хорошая новость. Эволюционные ограничения для поддержания вирусной функции будут ограничивать скорость и степень адаптации вируса.

Есть еще хорошие новости. Большая часть комментариев экспертов относительно угрозы мутаций в геноме SARS-CoV-2 была относительно оптимистичной, что отражает тот факт, что подавляющее большинство мутаций в геноме имеют незначительные функциональные последствия или вообще не имеют их. Хотя могут существовать обширные участки мутационного пространства, которое вирус может исследовать теоретически, почти все это пространство будет закрыто для функционального вируса. А большая часть остального будет иметь мало отношения к поведению вируса. Но хотя мутации в основном безвредны, в глубоком мутационном пространстве остаются скрытые микроскопические точки, очень редкие геномные изменения, которые позволяют вирусу внедрять инновации.

Как быстро развивается SARS-CoV-2?

Секвенирование всего генома дало ученым возможность стать свидетелями исследования SARS-CoV-2 через мутационное пространство в мельчайших деталях. Таким образом, стало известно, что в геноме в среднем происходит одна или две мутации в месяц, что с учетом размера генома примерно в четыре раза медленнее, чем у вируса гриппа. Это также было воспринято как хорошие новости. Логика здесь в том, что более стабильный геном предоставляет меньше возможностей для вируса избежать вакцинации или осуществить какой-то другой генетический трюк.

Появление «британского варианта» (он же «вариант Кента», B117 или 20I / 501Y.V1) было примечательным и отрезвляющим. Данные о последовательности генома показали, что он уловил 23 мутации (на целый год) всего за один присест. Большинство этих мутаций не имеют большого эволюционного значения, но другие несут ответственность за повышенную скорость распространения этого варианта. Почему и как это произошло? Вирус мутирует во время репликации внутри человека-хозяина. Эти мутации могут изменить способ взаимодействия вируса с клетками человека, включая иммунную систему. Британский вариант мог появиться в ходе длительной инфекции у одного пациента с ослабленным иммунитетом. В течение многих недель лечение выздоравливающей плазмой, содержащей антитела, могло привести к выделению этого варианта естественным отбором.

Наблюдались и другие подобные всплески эволюции. Недавно появившийся «вариант интереса» возник в Танзании, который имеет 34 отдельные мутации. Также наблюдались примеры рекомбинации, когда разные геномы SARS-CoV-2 объединяются в гибрид. Хотя эти события могут быть редкими, их потенциальное эволюционное значение не следует преуменьшать. Относительно низкая средняя скорость мутаций автоматически не соответствует медленной скорости эволюции.

Фото: https://360tv.ru/

Многих зовут, но мало кто выбирает

Искрой для появления британского варианта, вероятно, было давление эволюции, направленное на защиту вируса от терапевтических антител (плазма выздоравливающих). Наиболее очевидным последствием этого была повышенная склонность к распространению вируса между хозяевами. Это показывает, что одни и те же мутации могут дать вирусу одновременно несколько преимуществ – явление, известное как «плейотропия». И хотя мы не можем полностью понять биологические механизмы, мы можем легко идентифицировать мутации-кандидаты на основе данных о последовательности генома, потому что они возникали снова и снова в ходе пандемии. Хотя мутация сама по себе является слепым процессом, естественный отбор неоднократно выбирал одни и те же мутации. Это известно как «эволюционная конвергенция».

Все эти мутации в различных комбинациях являются определяющей чертой всех вариантов. Все изменяют спайковый белок – часть вируса, связывающуюся с клетками человека. Несмотря на увеличившееся количество случаев заболевания и смертность в результате этих мутаций, можем ли мы хотя бы успокоиться тем фактом, что общее количество таких мутаций кажется ограниченным? Возможно. Но свойства вируса определяются не отдельными изолированными мутациями, а тем, как несколько мутаций взаимодействуют друг с другом. Эта комбинаторная перспектива внезапно открывает новые зоны потенциально плодотворного мутационного пространства для вируса.

Понимание того, как единичные редкие события могут изменить траекторию всей пандемии, предупреждает нас об опасностях неконтролируемого распространения. Так же, как шансы выиграть в лотерею увеличиваются с увеличением количества купленных билетов, так и вероятность редких эволюционных событий, ведущих к появлению новых вариантов, вызывающих беспокойство, будет увеличиваться по мере того, как большее количество людей заражается. Новые варианты не зависят от национальных границ, и, независимо от того, насколько сложно предсказать эволюционные изменения, ясно одно: с эволюционной точки зрения крайне важно поддерживать как можно меньшее количество случаев в мире.