Ученые из НИУ ВШЭ совместно с коллегами из Сколтеха и Института эпидемиологии выяснили, как появились новые опасные варианты коронавируса: альфа, дельта, омикрон и т.д. Оказалось, что вероятность появления аминокислотной замены в какой-нибудь позиции генома SARS-CoV-2 зависит от замен в других позициях. Это объясняет, почему новые активные варианты вируса возникают неожиданно и сильно отличаются от ранее циркулировавших вариантов. Результаты работы опубликованы в журнале eLife.
Все вирусы, в том числе вирус SARS-CoV-2, вызвавший пандемию коронавируса, со временем меняются. Чем дольше вирус циркулирует в популяции и чем больше людей болеет, тем больше изменений (мутаций) в нем происходит. Обычно новые штаммы вируса почти не отличаются от исходного, но иногда мутации приводят к появлению вариантов, которые лучше приспособлены к окружающим условиям и представляют больший риск для здоровья людей: например, быстрее распространяются, не реагируют на вакцины или известные методы лечения, хуже диагностируются и т.д.
В истории коронавируса было несколько эпизодов, когда неожиданно появлялись такие активные варианты. Британский штамм, дельта, омикрон возникали как будто из ниоткуда и распространялись с молниеносной скоростью. Все они отличались от исходного, уханьского, штамма большим количеством мутаций, но при этом ученые не могли обнаружить промежуточных, переходных вариантов, в которых было бы видно последовательное накопление этих изменений.
Эволюцию вируса в популяции можно представить в виде путешествия по широкому полю с оврагами, долинами, холмами. Вирус случайно блуждает по этому ландшафту: если он попадает во впадины, он умирает быстро, в долинах — медленнее, а вот на вершинах он живет долго и счастливо. Ландшафт приспособленности коронавируса больше похож на водные просторы, где разбросаны отдельные острова. Острова — это варианты вируса, которые отличаются друг от друга определенным набором мутаций. Чтобы перебраться с одного острова на другой, надо долго плыть на лодке и не утонуть. У науки пока нет точного ответа на вопрос, как именно вирус перемещается между островами.
Алексей Неверов
Автор исследования, старший научный сотрудник Международной лаборатории статистической и вычислительной геномики НИУ ВШЭ
Российские исследователи проанализировали более 3 млн геномных последовательностей различных штаммов SARS-CoV-2. Ученым удалось выделить конкретные позиции в поверхностном белке коронавируса, в которых произошли замены аминокислот, отличающие варианты друг от друга и от исходного, уханьского, варианта. Оказалось, что между многими из этих позиций есть взаимосвязь: изменения аминокислоты в одной позиции белка влечет за собой изменения аминокислот в других позициях. Все активные и опасные варианты вируса отличались от ранее распространенных вариантов большим количеством таких замен.
Процесс переплывания с одного острова на другой — это процесс накопления мутаций. Пока вирус «плывет», он уязвим и очень плохо приспособлен к жизни. Фактически добраться до другого острова можно, только если у тебя какая-то необычная лодка. В случае с коронавирусом подозревают людей, болеющих «долгим ковидом». В них могут накапливаться популяционно неадаптированные варианты вируса. В какой-то момент они образуют сильный вариант, который выплескивается в популяцию и захватывает мир.
Алексей Неверов
Автор исследования, старший научный сотрудник Международной лаборатории статистической и вычислительной геномики НИУ ВШЭ
Авторы исследования предложили объяснение, почему мы не видим промежуточных вариантов вируса, которые отличаются всего на одну-две замены. Это связано с тем, что, только когда «плохие» замены собираются вместе и вступают во взаимодействие, они становятся «хорошими». В результате предсказать время появления нового сильного штамма фактически невозможно.
Статистический метод, который использовали авторы исследования, универсален и может применяться для изучения эволюции многих патогенов. В частности, ученые уже опробовали его для гриппа и туберкулеза.
IQ