Майкл Кордингли - Вирусы. Драйверы эволюции. Друзья или враги?

Возникает вполне резонный вопрос: почему вирус птичьего гриппа H5N1 не приобрел необходимых мутационных изменений для того, чтобы адаптироваться к людям и к передаче между ними? В чем заключается секрет ограниченного набора ГА- и НА- подтипов, которые достигли феноменальных успехов в вирусах, которые адаптировались к передаче от человека к человеку? Простого ответа нет, он ускользает от нас, это известное о неизвестном, но искать его стоит именно здесь, потому что только так можно будет оценить относительный риск пандемии, вызванной возбудителем птичьего гриппа. Многие ученые неоднократно пытались разобраться в сути этой проблемы.

Несмотря на тот факт, что вирусы птичьего гриппа H5N1 инфицируют диких и домашних птиц по всему миру, они так и не смогли создать эндемический плацдарм в человеческих популяциях и в популяциях других млекопитающих. Согласно данным Всемирной программы по гриппу ВОЗ, этот вирус в 2013 году стал причиной всего 40 случаев заболевания у человека (WHO, 2015d). Да, этот вирус с очень большим трудом передается от человека к человеку. Если бы простые мутационные изменения или перетасовка генных фрагментов могли создать легко передающийся от человека к человеку вариант вируса, то он возник бы уже давно. Представляется, что генетически вирус H5N1 весьма далек от генотипа с пандемическим потенциалом. Видимо, переход к такой способности представляет для вируса тяжелый эволюционный вызов. Учитывая, что всемирная готовность к будущей пандемической угрозе основана на наблюдениях за циркулирующими вирусными штаммами, разумно спросить, не существует ли каких-либо генетических отпечатков, которые нам стоило бы поискать. Что может сигнализировать о том, что произошло накопление опасных сочетаний генетических изменений в вирусах H5N1, достаточное для приобретения «пандемического фенотипа»? Без понимания генетических изменений, которые могут породить такой опасный фенотип, любое, самое тщательное наблюдение окажется бесполезным. В таком случае мы сможем оценить уровень угрозы только постфактум – после того, как пандемический вирус возник и поразил человечество беспощадной пандемией.

Тщательное и добросовестное изучение смертельно вирулентного пандемического вируса H1N1, вызвавшего испанку 1918 года, подтвердило, что его особый, уникальный фенотип был определен всей совокупностью его дополнительных генов (Tumpey et al., 2005). Использование нуклеотидных последовательностей вирусной РНК, извлеченной из тела жертвы эпидемии 1918 года, которая сохранилась в аляскинской вечной мерзлоте, позволило Тампи и его сотрудникам реконструировать в лаборатории вирус с таким же генотипом, который оказался таким же опасным, как и оригинал 1918 года. Ученые получили множество вирусов, комбинируя фрагменты генных последовательностей, смешивая вирусы H1N1 1918 года с генными последовательностями недавнего штамма H1N1 с низкой патогенностью для человека. Вирулентность вируса оценивали по результатам заражения мышей. Было обнаружено, что ГА вируса H1N1 1918 года и сегменты гена полимеразы сообщали более сильную вирулентность современному вирусу с генотипом H1N1 (этот результат подтвердил выводы предыдущей работы тех же авторов). Как бы то ни было, вирус со всеми восемью генными сегментами 1918 года оказался самым вирулентным из всех вирусов, с какими пришлось работать этой лаборатории. Это было экспериментальное свидетельство того, что пандемическому вирусу 1918 года удалось, на самом деле, создать настоящую «команду мечты». Для этого недостаточно было отдельных звезд; высочайшая патогенность стала результатом слаженной командной игры всех ее участников. Рекомбинация собрала генные сегменты, но нужный фенотип на основании данного генотипа сложился в ходе совместной эволюции под сильным давлением положительного отбора.

Помимо подбора генных сегментов с подходящими свойствами, главным в создании оптимально приспособленного вируса гриппа, способного, подобно H1N1 1918 года, вызвать тяжелую пандемию, было осуществление тонких адаптивных и сложных эпистатических взаимодействий между генными сегментами. Таким образом, пандемический вирус птичьего гриппа H5N1 должен приобрести способность связывать и инфицировать клетки верхних дыхательных путей человека. Несколько групп ученых исследовали потенциал генотипа H5N1 к адаптации для передачи между людьми воздушно-капельным путем. Доступность множества последовательностей генов ГА из популяций вирусов, поражающих людей и птиц, позволила исследователям точно понять, какие изменения в аминокислотной последовательности переключают ГА с аффинности к птичьим рецепторам на аффинность к рецепторам в верхних дыхательных путях человека. Вирусы птичьего гриппа, соответствующим образом модифицированные и содержащие нужные мутации, действительно меняют сродство к рецепторам и охотно связываются с α-2,6-рецепторами, экспрессируемыми на клетках верхних дыхательных путей человека. Тем не менее выяснилось, что эти вирусы плохо реплицируются и не демонстрируют облегчение передачи по сравнению с исходными вирусами (Maines et al., 2006; Maines et al., 2011). Своего рода прорыв случился в 2012 году в форме результатов, из которых следовало нечто, названное «приобретением функции». Эти работы породили множество противоречий и споров. Две независимые группы ученых попытались адаптировать вирус H5N1 для воздушно-капельной передачи между хорьками, содержащимися в рядом стоящих клетках (Herfst et al., 2012; Imai et al., 2012). Херфст и его коллеги создали вирус H5N1, содержащий несколько мутаций ГА, достаточных для переключения ее специфичности в связывании на α-2,6-рецепторы, которые преобладают в верхних дыхательных путях хорьков (и людей). Были также внесены изменения в ген вирусной полимеразы PB2, которые сообщили вирусам птичьего гриппа повышенную вирулентность в отношении клеток человека. Полученный вирус действительно вызывал заболевание у хорьков, но животные в соседних клетках не заболевали, так как вирус между ними воздушно-капельным путем не передавался. Используя классическую вирусологическую технику, ученые промывали носовые ходы больных хорьков, а затем этими смывами заражали здоровых хорьков. Эту процедуру повторяли несколько раз в ходе методики, называемой «серийным пассажем». Очень скоро вирусы приобрели способность передаваться воздушно-капельным путем между больными и здоровыми хорьками. Ученым, таким образом, удалось создать передаваемый воздушно-капельным путем вирус. Свои новые адаптивные мутации вирус приобрел во время репликации в организмах последовательно сменявшихся хозяев. Эти варианты передавались от хорьков хорькам, из клетки в клетку. Но обладал ли этот генотип пандемическим потенциалом?