Каждый год эпидемии гриппа уносят сотни тысяч жизней. Хотя вакцинация от гриппа довольно эффективна, грипп не удается искоренить полностью из-за его необычайно высокой скорости эволюции. Каждый новый штамм гриппа, распространяющийся по планете, несколько отличается от штамма предыдущего года, обманывая нашу иммунную систему и делая менее эффективными вакцины, с помощью которых мы пытаемся с ним бороться. Кроме того, время от времени появляется радикально новый штамм, который ставит все человечество перед угрозой пандемии. И то и другое является результатом происходящих с вирусом генетических изменений, но разного масштаба.
Сезонный грипп возникает из-за точечных мутаций, а большие пандемии часто связаны с крупными генетическими изменениями — реассортациями.
Связь между этими типами событий впервые исследовали российские ученые с факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова в сотрудничестве с коллегами из Центрального НИИ эпидемиологии и Института проблем передачи информации (ИППИ) РАН; один из авторов, профессор Алексей Кондрашов, аффилирован с Мичиганским университетом. Статья с результатами их работы вышла в ночь на пятницу в журнале PLoS Genetics.
«Геном вируса гриппа состоит не из одной молекулы ДНК или РНК, как у многих вирусов, а из восьми отдельных сегментов, в чем-то похожих на хромосомы человека. Каждый такой сегмент — отдельная молекула РНК», — объясняет ведущий автор статьи Георгий Базыкин, ведущий научный сотрудник факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ и заведующий сектором молекулярной эволюции ИППИ РАН. Если в одну клетку попадают вирусы разных штаммов, их геномы могут обмениваться этими сегментами — это и называется реассортацией. Так возникает геном, состоящий, скажем, из трех сегментов от одного штамма и пяти сегментов — от другого штамма.
«Большинство крупнейших эпидемий гриппа ХХ века возникали в результате таких реассортаций, — продолжает Георгий Базыкин. — Мы можем посмотреть на штаммы, которые привели к возникновению этих эпидемий, и увидеть, что в них встречаются такие сочетания вирусных сегментов, которые не встречались раньше.
Так было с пандемиями 1957 и 1968 годов, так было со свиным гриппом 2009 года, ну и самая страшная на исторической памяти эпидемия гриппа — испанка 1918 года, по всей видимости, была так же устроена, хотя про такие давние события трудно сказать наверняка».
В результате реассортации может возникнуть очень вирулентный штамм вируса, так как крупные генетические изменения делают его непривычным для клеток иммунной системы, и вирус успешно распространяется по популяции.
Это один путь эволюции вируса, который специалисты называют антигенным сдвигом. Но есть еще антигенный дрейф — когда свойства вируса меняются не скачкообразно, а медленно и постепенно из-за накопления небольших мутаций. Эти мутации приводят к изменению антигенных белков, в первую очередь поверхностных белков вируса — гемагглютинина (НА) и нейраминидазы (NA). Гены, кодирующие эти белки, непрерывно и быстро эволюционируют в ходе гонки вооружений между вирусом и иммунитетом.
«Ежегодные вспышки сезонного гриппа обусловлены в основном таким антигенным дрейфом, — объясняет Георгий Базыкин. — Поэтому каждый год многие из нас болеют гриппом, причем каждый год мы заражаемся новым штаммом все время меняющегося вируса».
Связь между этими процессами — большими и маленькими изменениями вируса гриппа — до сих пор никто не изучал.
Чтобы заполнить этот пробел, российские исследователи сперва научились определять реассортации, происходящие в истории вируса. Они работали с вирусом гриппа A H3N2, с которым человечество впервые столкнулось в 1968 году. Используя базу секвенированных геномов 1376 штаммов вируса, они биоинформатическими методами реконструировали все происходившие с ним реассортации и нанесли их на эволюционное дерево вируса. А затем ученые проверили предположение, что такие большие генетические изменения повышают частоту мелких изменений — точечных мутаций, ведущих к заменам аминокислот.
Предположение подтвердилось — реассортации ускоряют последующие аминокислотные замены.
«Мы предполагаем, что, скорее всего, это связано с тем, что реассортировавшие гены вируса оказываются в новом генетическом окружении, — говорит Георгий Базыкин. — Поскольку между генами существует взаимодействие, то, если изменился ген А, и ген В тоже стремится измениться. В результате за событиями реассортации тянется шлейф из дополнительно накапливающихся точечных мутаций».
Поскольку именно реассортации приводят к появлению вызывающих пандемии штаммов вируса гриппа, полученные результаты могут быть использованы для предсказания их возникновения в будущем.
Материал подготовлен отделом науки «Газеты.Ru» и МГУ в рамках сотрудничества с «Фестивалем науки».