Нові небезпечні штами? Коли припиняться мутації коронавірусу
Можливо, вірус застосував ще не всі свої еволюційні виверти
Вчені згенерували більше двох мільйонів геномних послідовностей вірусу SARS-CoV-2, що дозволяє нам препарувати найдрібніші еволюційні зміни до такої міри, яка раніше була неможлива для будь-якого біологічного збудника хвороби за межами лабораторії.
Що це говорить нам про мутації і штами? Мутації є головним двигуном еволюції, що дозволяє природному відбору відбуватися. Деякі мутації корисні для організму і можуть поширитися серед видів. Інші шкідливі або мають незначні наслідки. Вони виникають через помилки, коли геном копіюється при реплікації вірусу, в результаті чого один нуклеотид (кожен з них має буквений код) замінюється іншим.
Геном SARS-CoV-2 складається з 30 тис. нуклеотидів. Швидкість виникнення мутацій зазвичай виражається ймовірністю того, що будь-який окремий нуклеотид буде помилково замінений при реплікації генома. Згідно з останніми експериментальними даними, які ще не опубліковані в науковому журналі, така ймовірність становить близько трьох на мільйон.
З огляду на такий темп, ми можемо запитати, скільки мутацій може виникнути кожен раз, коли хтось заражається. Помноживши 30 тис. на ймовірність 3 до 1 млн, ми отримуємо в цілому близько 0,1 мутацій кожен раз, коли геном реплікується.
Переважна більшість цих мутацій не мають значущих наслідків
Захворювання досягає своєї кульмінації на 5−7 день, протягом цього часу вірус зазвичай завершує від трьох до семи «циклів реплікації» (фази життєвого циклу вірусу, що починається з прикріплення до клітини-господаря і закінчується відтворенням копій і виходу з клітини знову синтезованих вірусних частинок). П’ять циклів реплікації призведуть до приблизно 0,5 мутацій (5×0.1), або до однієї нової мутації на двох заражених людей.
Інший підхід полягає у використанні даних послідовності генома. Оскільки кожна послідовність генома взята в іншої інфікованої людини, ці дані дозволяють нам розрахувати швидкість, з якою мутації накопичилися в глобальній вірусній популяції, а не в межах одного зараження. Порівнюючи дані про послідовність з вихідним «еталонним» геномом (найбільш раннім геномом вірусу), ми можемо підрахувати, скільки мутацій накопичилося в кожному геномі. Потім ми можемо побачити, як швидко число мутацій збільшується з плином часу.
Це говорить нам про те, що глобальна популяція вірусів накопичує в середньому приблизно одну мутацію кожні два тижні — рівень, аналогічний тому, який спостерігається у однієї інфікованої людини.
Щоб порівняти цей рівень мутації, варто відзначити, що геном людини піддається приблизно 0,05 мутацій кожні два тижні. На перший погляд, це не так відрізняється від SARS-CoV-2 (тільки в 20 разів повільніше), проте уявіть, що геном людини в 100 тис. разів більше, що робить швидкість мутації на нуклеотид приблизно в 2 млн разів швидше у вірусі, ніж у людини.
Таким чином, SARS-Cov-2 пройшов таку ж кількість мутаційних еволюційних змін за весь час пандемії (пропорційно розмірам геному), як і Ноmо habilis (людина уміла) за 2,5 млн років.
Нові варіанти
Описані вище розрахунки відносяться до числа мутацій, очікуваних у лінії від однієї вірусної частки до іншої
Загальна кількість вірусних частинок, отриманих під час інфікування, становить близько 300 тис. і 3 млн. Якщо в кожній лінії накопичується в середньому 0,5 мутацій, то оцінка загального числа мутацій під час інфекції у всіх частинках вірусу, разом узятих, буде приблизно від 100 тис. до 100 млн — розрахунки швидше приблизні, ніж точні.
Код РНК вірусу містить чотири літери: G, C, U і A — їх 30 тис. у геномі. Мутація може змінити будь-яку з цих букв на будь-яку з трьох інших букв у коді. Це дає близько 100 тис. можливих одиночних мутацій загалом.
Звідси випливає, що всі можливі окремі мутації, ймовірно, виникатимуть під час кожної окремої інфекції. Так чому ж ми не побачили нових небезпечних варіантів, які повинні були з’явитися через кілька місяців пандемії?
Переважна більшість цих мутацій не матимуть будь-яких значущих наслідків або навіть будуть шкідливі для вірусу. Більш того, тільки крихітна частка вірусних частинок усередині інфікованої людини викликає розвиток хвороби. Майже всі мутації, які накопичуються всередині заражених вірусом клітин, будуть втрачені після того, як інфекція пройде. Крім того, оскільки час між зараженнями невеликий, у природного відбору буде мало можливостей вибрати «найкращих» мутантів для зараження нових клітин.
Ми повинні бути надзвичайно вдячні за цей ефект «пляшкового горлечка» у міру того, як вірус передається від одного носія до іншого. В голову приходить твереза думка про те, що у інфікованих людей по всьому світу виникають численні нові небезпечні варіанти, але — крім півдюжини або близько того мутантів, яким пощастило передатися і згодом поширитися, щоб стати небезпечними штамами, — вони швидко відправляються в еволюційне забуття.
Перешкода на шляху еволюції?
Той факт, що майже всі мутації, що відбуваються під час одного зараження, так і не виходять у світ, створює серйозні перешкоди на шляху еволюції вірусу. Однак це можна компенсувати, якщо загальне число випадків інфікування дуже велике.
На момент написання цієї колонки в світі щодня реєструвалося близько 620 тис. нових випадків інфікування. Якщо на одне інфікування припадає в середньому 0,5 мутацій, це означає, що в усьому світі кожен день близько 300 тис. нових мутацій передаються від одного господаря до іншого.
Важливо розуміти, що переважна більшість вірусів-мутантів, що з’являються всередині однієї зараженої людини, ніколи не будуть передані. Як і переважна більшість мутованих вірусів, що проходять через одну первісну передачу, не поширюватимуться серед населення. Але пам’ятайте, що максимальне число можливих мутацій становить близько 100 тис. Таким чином, можна припустити, що будь-яка можлива мутація вірусного генома передається від однієї людини до іншої кожен день.
Це може створити враження, як недавно припустили деякі експерти, що еволюційні варіанти вірусу, можливо, вичерпуються, і що ймовірність появи нових небезпечних штамів невелика.
Однак деякі властивості вірусу можуть бути визначені не окремими мутаціями, а взаємодією кількох мутацій, що діють узгоджено в одному геномі. Наприклад, вплив специфічної мутації може бути значно посилено, якщо вона відбувається в геномі, який вже було порушено іншими специфічними мутаціями. Якщо такі дії характерні для SARS-CoV-2, то вірус застосував ще не всі свої еволюційні виверти.
Переклад НВ
НВ володіє ексклюзивним правом на переклад і публікацію колонок The Conversation. Републікування повної версії тексту заборонене.
Оригінал опубліковано на The Conversation
Приєднуйтесь до нашого телеграм-каналу Мнения НВ