как меняют генетический код
Человек генно-модифицированный / Homo genere mutatio
Человек генно-модифицированный / Homo genere mutatio
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Когда Олдос Хаксли писал «Дивный новый мир», думал ли он, что на самом деле может наступить эра детей, созданных по заказу? «Дети здесь не рождаются. Их выращивают в специальных инкубаторах и делят на альфы, беты, гаммы, дельты и эпсилоны в зависимости от умственных способностей». На сегодняшний день вряд ли найдется более рьяно обсуждаемая в СМИ тема биомедицины, чем CRISPR/Cas. СМИ готовят общество к появлению в будущем фабрик по производству детей на заказ, ученые — к возможности создания генетической панацеи. Исследования на человеческих эмбрионах с применением генетических модификаций лишь подливают масла в огонь. Общественность строит догадки, какие перспективы дает этот инструмент генного редактирования в руках ученых. Ждет ли мир появление «отредактированных» людей? Станет ли Homo genere mutatio в эволюционный ряд после Homo sapiens sapiens? К чему бы ни привела технология CRISPR/Cas, несомненно, что это шаг в бездну новых возможностей.
Конкурс «био/мол/текст»-2017
Эта работа опубликована в номинации «Биомедицина сегодня и завтра» конкурса «био/мол/текст»-2017.
Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».
Что такое CRISPR/Cas9 и с чем его едят
Хотя система CRISPR известна с 1980-х, активно о ней заговорили лишь несколько лет назад [1]. Повышенное внимание к технологии генной модификации связано с перспективами, которые она открывает. В частности, лечение генетических заболеваний. Это может изменить медицину. Освоение CRISPR/Cas9 в рамках человеческого тела подобно первым шагам в космосе.
Технология CRISPR (от англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) основана на направленном редактировании генома с помощью эндонуклеазы Cas9. Словно умные ножницы, фермент Cas9 совершает двунитевые разрезы в нужных участках гена, удаляя дефекты генетической информации (рис. 1). После того как разрыв внесен, включаются системы восстановления ДНК, и нужная неповрежденная последовательность встает на место удаленной дефектной [2].
Рисунок 1. Схема работы CRISPR/Cas9.
Это уже не совсем так. В начале ноября 2017 года появилось сообщение о том, что мальчику, больному буллезным эпидермолизом, заменили 80% площади кожи на трансплантаты из его собственных клеток, в которых дефектный ген, вызывающий болезнь, заменили нормальным. — Ред.
Рисунок 2. Общественное мнение относительно технологии CRISPR/Cas9.
Другой стороной медали может стать использование технологии не по задуманному назначению. Общество страшится появления «дизайнерских» детей, сделанных на заказ родителями. Проведенный опрос среди американцев говорит о том, что люди еще не готовы принять возможности генной терапии. Так, 83% респондентов не хотят использовать технологию для совершенствования детей (рис 2).
Еще один шаг к совершенству
Однако технология генного «ремонтирования» не без изъянов. Она не доведена до совершенства. CRISPR/Cas9 — это не волшебная палочка, призванная исправлять любой генетический дефект. Генетический скальпель не отличается высоким уровнем точности. Эндонуклеаза может совершить разрезы и в нецелевых участках. При этом система CRISPR/Cas9 может не исправлять мутации, как задумывалось, а создавать новые.
Отсутствие стопроцентной точности в работе эндонуклеазы Cas9 делает технологию небезопасной и ненадежной. Пока система не станет более точной, она не получит широкое распространение в практической медицине. Однако маленькие шаги в сторону реальности метода совершаются. Работа ученых из Массачусетского технологического института выводит технологию CRISPR на новый уровень посредством создания улучшенной версии фермента — eSpCas9.
eSpCas9 имеет повышенную специфичность, что снижает вероятность побочных эффектов при редактировании генома. Разрезы этого фермента более точные. Это позволило снизить риск вероятных ошибок примерно в 10 раз. Несомненно, такое открытие — настоящий прорыв для генного редактирования. Оно стало более специфичным и точным, а значит, стало ближе к практической медицине, чем когда-либо [3].
Первый блин комом
В апреле 2015 года мир должен был ахнуть от удивления: впервые ученым удалось не просто прочитать, а еще и отредактировать геном человека (рис. 3). Удивительно, но это событие не привлекло к себе много внимания. Такие авторитетные издания, как Nature и Science, не пожелали публиковать данные об исследовании ввиду его неэтичности. Связано это с тем, что впервые методику генного редактирования CRISPR/Cas9 проверили на человеческих эмбрионах [4].
Рисунок 3. Человеческие эмбрионы с отредактированным геномом.
Китайские ученые из университета Гуанчжоу использовали нежизнеспособные эмбрионы. Их получили посредством ЭКО. На этапе их образования произошел сбой, который привел к формированию трипронуклеарных эмбрионов, которые содержат не два пронуклеуса — материнский и отцовский, — а три. Такие зародыши обычно погибают еще до имплантации и нежизнеспособны: они содержат аномальный тройной набор хромосом (69 шт.), тогда как в норме кариотип составляют 46 [5]. Лишние 23 хромосомы не дают плоду развиваться нормально, что приводит к его гибели [6].
Перед учеными не стояла задача продлить время жизни трипронуклеарных эмбрионов. Их целью было осуществить генный нокаут бета-талассемии, которой страдали эмбрионы. Задумку не вполне удалось реализовать. Из 86-и лишь полсотни эмбрионов удалось протестировать. Генная модификация произошла в 28 зародышах, но почти во всех случаях — не такая, как надо, или в неправильном месте. Дефектный ген бета-талассемии был успешно удален из клеток лишь четырех эмбрионов.
Эксперимент не только не принес ожидаемого эффекта, но и создал новые непредвиденные мутации в геноме множества клеток. По словам лидера научной группы, использованная технология пока слишком «сырая». Она не может быть использована на нормальных эмбрионах. Чтобы приступить к ее клиническому использованию, процент успеха должен приближаться к 100.
Модификация людей одобрена законом
Официальное разрешение от вневедомственного органа Министерства здравоохранения Соединенного Королевства — HFEA (Human fertilisation and embryology authority) — на редактирование человеческих эмбрионов с помощью технологии CRISPR/Cas9 в 2016 году получила исследовательская группа из Института Фрэнсиса Крика в Великобритании под руководством биолога Кэти Ниакан. В качестве объекта исследования будут использоваться лишние эмбрионы, которые получают при ЭКО, — те, что оказались не нужны семьям ввиду свершившегося успешного подсаживания других зародышей. Раньше такой материал просто утилизировали за ненадобностью.
Это первое разрешение на подобную деятельность в Великобритании, и ученых не ждет полная свобода действий. Эмбрионы могут быть использованы лишь для определенных целей, которые будут оценены экспертной комиссией (рис. 4). Применять можно семидневные эмбрионы. Срок жизни объектов исследования после начала эксперимента — 14 дней. После этого они должны быть утилизированы. Подсаживание их к суррогатной матери исключено. Пролонгировать беременность генномодифицированными эмбрионами запрещено [7].
Рисунок 4. Человеческому эмбриону вводят отредактированную ДНК в лондонской лаборатории Института Фрэнсиса Крика.
Успех CRISPR/Cas9
Первые полосы научных журналов в августе 2017 года вновь украшала аббревиатура CRISPR/Cas9. На этот раз новостями об успешном эксперименте спешили поделиться ученые из Орегонского университета здоровья и науки (OHSU). Группа ученых во главе с уроженцем Казахстана Шухратом Миталиповым применили технологии редактирования генов CRISPR/Cas9, чтобы изменить ДНК больных человеческих эмбрионов [8].
Среди безумного моря наследственных патологий выбор объекта исследования пал на гипертрофическую кардиомиопатию. Это серьезное генетическое заболевание сердца с аутосомно-доминантным типом наследования. Это значит, что патология проявится при наличии хотя бы одной дефектной копии гена. При этом данный ген не сцеплен с половой хромосомой, поэтому встречается как у мужчин, так и у женщин.
Особенно часто заболевание поражает молодых спортсменов [9]. Технология CRISPR/Cas9 позволила группе ученых отредактировать дефектный ген. В исследовании использовали 12 здоровых яйцеклеток и сперму, несущую мутантный ген MYBPC3. С помощью CRISPR/Cas9 из ДНК сперматозоидов удалось вырезать дефект, словно ножницами (рис. 5) [10].
Рисунок 5. Схема воздействия CRISPR/Cas9 на ген MYBPC3.
В результате получили 42 здоровых эмбриона из 58-и. Это составило 72,4% потомства без патологии. Такие результаты оказались довольно успешными по сравнению с полученными ранее при других исследованиях с CRISPR/Cas9 на эмбрионах с генетическими заболеваниями. Улучшение показателей, их приближение к ста процентам, дает надежду на лечение наследственных болезней в ближайшем будущем.
«Мы продемонстрировали возможность исправлять мутации в человеческом эмбрионе безопасным способом и с заметной степенью эффективности», — говорит один из руководителей проекта, Хуан Карлос Бельмонте.
Что может предложить миру CRISPR/Cas9
Каждое крупное открытие в истории человечества встречало сопротивление. С этим столкнулись и Галилео Галилей, и Джордано Бруно, и Парацельс, и Игнац Земмельвейс, осмеянный за свое предложение мыть врачам руки перед осмотром больных. Мир с трудом принимает новые открытия. Сотни известных имен стали признанными лишь после смерти и были гонимы за свои убеждения при жизни.
Инквизиция и научное невежество остались далеко позади. Сегодня медицина развивается очень быстро — в сравнении с минувшими столетиями она движется семимильными шагами. Несомненно, CRISPR/Cas9 станет одним из важнейших биотехнологических открытий XXI века. Что же может предложить миру эта технология?
Рисунок 6. Руками врача буквально лечится геном.
Рисунок 7. Развитие эмбриона из одного оплодотворенного яйца до бластоцисты.
Рисунок 8. Схема возможного использования органов свиней.
Рисунок 9. ГМ-пища.
Рисунок 10. Схематичное изображение «дизайнерского» ребенка.
Тем не менее случайные мутации, которые ненароком могут появиться при редактировании генома, потенциально могут быть еще опаснее, чем имеющиеся (рис. 11).
Рисунок 11. Схематичное изображение гена с опасной мутацией.
Этично ли редактировать людей?
CRISPR/Cas9 предстоит преодолеть не только технические трудности, которые требуют приближенного к ста процентам результата для внедрения в практическую медицину, но и этические (рис. 12). Насколько нравственно редактировать геном человека, данный ему при рождении? Можем ли мы вмешиваться в работу природы и модифицировать ее по своему усмотрению?
Рисунок 12. Обложка книги профессора Калифорнийского университета Пола Кнопфлера — GMO sapiens.
Международный мораторий на опыты над людьми говорит сам за себя. А проведенные на данный момент исследования имели четкие рамки, закрепленные законодательно. Вынашивание и рождение «редактированного ребенка» в таких условиях невозможно.
По мнению биоэтика из Университета Висконсина в Мэдисоне Альты Чаро, «дизайнерские дети» — сомнительная перспектива для CRISPR/Cas9. Исследовав положение дел с технологией генной модификации, она сделала заявление: «Озабоченность по поводу проведенных экспериментов раздута. Это увлекательный, важный и достаточно внушительный шаг к изучению правильного редактирования эмбрионов. Независимо от беспокойных предположений, это не начало эпохи „дизайнерских детей“. Наследование таких признаков, как интеллект или атлетизм, определено множеством генов. Разгадать каждый из них и спроектировать ребенка не представляется возможным» [19].
Что же принесет миру технология генного редактирования CRISPR/Cas9 — пользу или вред? Однозначного ответа на этот вопрос не даст никто. Хотя практической пользы от технологии пока получено не было, то будущее, которое рисует CRISPR/Cas9 в рамках биомедицины, рано или поздно наступит. И нам откроется возможность узреть и понять этот новый и смелый отредактированный мир (рис. 13).
Рисунок 13. Безграничные возможности CRISPR/Cas9.
Ковид и гены
Обнаружены участки генома, связанные с тяжелым течением Covid-19
На протяжении коронавирусной пандемии ученых преследует вопрос: почему одни люди, заболевшие Covid-19, вовсе не испытывают симптомов и почти незаметно переносят инфекцию, а другим требуется скорая медпомощь, вплоть до реанимации и ИВЛ? Исследователи предложили достаточно гипотез, выявив десятки факторов, ответственных за тяжелое течение болезни, среди которых – принадлежность к мужскому полу, наличие хронических заболеваний, лишний вес, пожилой возраст и так далее. Теперь подтвердились давние догадки: за уязвимость к SARS-CoV-2 отвечают еще и гены.
Сотрудники Института молекулярной медицины Финляндии при Хельсинкском университете, Массачусетского технологического института и Гарварда представили некоторые выводы стартовавшего прошлой весной масштабного проекта Covid-19 Host Genomics Initiative, изучающего геном человека в контексте пандемии коронавируса и объединившего свыше трех тысяч специалистов из 25 стран. Предварительные результаты опубликованы в журнале Nature (Mapping the human genetic architecture of COVID-19).
Ученые проанализировали генетический материал 49 562 жителей 19 разных государств с подтвержденным Covid-19 и двух миллионов здоровых людей, данные о которых брали из многочисленных биобанков, клинических исследований и от генетических компаний, таких как 23andMe. Целью было определить, какие фрагменты ДНК человека коррелируют с тяжелой формой коронавирусной инфекции.
В итоге удалось выявить 13 значимых для всего генома локусов – местоположений определенного гена на спирали ДНК, – которые связаны с инфекцией или тяжелыми проявлениями COVID-19. Некоторые из них соответствуют легочным или аутоиммунным и воспалительным заболеваниям, для которых ученые ранее показали связь с Covid-19. Из 13 локусов два чаще встречались среди пациентов восточноазиатского или южноазиатского происхождения, нежели среди населения Европы.
Исследователи обращают внимание на локус гена FOXP4, вариации которого связаны как с раком легких, так и с тяжелой формой Covid-19. Следовательно, его ингибирование может быть частью лечения. Варианты генов ABO, SLC6A20, TYK2 и DPP9 тоже коррелировали с течением инфекции. Другие гены, по словам ученых, находятся на пока не исследованных локусах третьей и других хромосом, их роль еще не определили.
Конечно, не каждый идентифицированный локус отвечал за уязвимость к коронавирусу. Поэтому потребуется время, чтобы найти окончательное объяснение тому, как соотносятся вирус и ДНК человека. По мере поступления новой информации авторы проекта планируют обновлять результаты, а в итоге Covid-19 Host Genomics Initiative должно помочь определить цели для будущих методов лечения и продемонстрировать силу генетических исследований в изучении инфекционных заболеваний.
Читать статьи по темам:
Читать также:
Открыт ген восприимчивости к гриппу
Находка генетиков объясняет причины тяжелого течения гриппа у некоторых людей, тогда как для подавляющего большинства он является заболеванием средней тяжести.
Гены предрасположенности к герпесу
Для поиска генов предрасположенности к формированию герпетических язв авторы использовали метод анализа сцепления между генными локусами, позволяющий отследить генетические маркеры в семьях для идентификации регионов хромосом, содержащих гены предрасположенности к заболеванию.
Ковид против ковида
Синтетическая подделка коронавируса быстро и эффективно снижает нагрузку патогенной версии вируса.
Sputnik V Nature
Вакцина «Спутник V» получает всё больше одобрительных публикаций в медицинских журналах, говорится в статье в Nature.
Защити ближнего своего
Использование медицинских масок помогает уменьшить количество выдыхаемых частиц коронавируса в тысячу раз.
Биосенсоры в текстиле
Маски для лица и спецодежда для медперсонала и военных смогут обнаружить частицы патогена за 90 минут и так же точно, как ПЦР-тест.
Электронное СМИ зарегистрировано 12.03.2009
Свидетельство о регистрации Эл № ФС 77-35618
Ваш гид по мутациям SARS-CoV-2 Биологи рассказывают о том, как меняется коронавирус
Этот материал впервые был опубликован в казахстанском издании «Vласть». «Новая газета» перепечатывает его на условиях партнерства.
Три недели назад премьер-министр Великобритании Борис Джонсон напугал всех сообщением о новой мутации коронавируса. Вы тоже боитесь новых мутаций? А может быть вы думаете, что это новый способ мирового правительства закрыть всех на карантин? Давайте разбираться вместе. Mне помогут мои коллеги: ученые-биологи доктор Болат Султанкулов, работающий над созданием диагностической системы для Ковид-19 на основе нанотел и исследователь университета KAUST в Саудовской Аравии, доктор медицины Мухтар Садыков, который в рамках своего PhD проекта непосредственно изучает мутации коронавируса. В этом материале мы, биологи, покажем вам как следить за мутациями SARS-CoV-2, используя первоначальные источники.
Что такое мутации? Из школьного курса биологии вы помните, что эволюция — по сути накопление адаптаций к окружающей среде. Так вот, мутации — это и есть способ адаптироваться. Вирусы — не что иное, как генетическая информация в упаковке из белка (и иногда липидов). Из-за своей простоты (и хитрости, конечно) мутируют они постоянно (в среднем до 1 млн раз быстрее человека), это их способ существования. Коронавирус SARS-CoV-2 в этом году совершил огромный рывок в развитии, он перепрыгнул на нового хозяина, — на человека. Этот выход из зоны комфорта дался ему нелегко, и он до сих пор к нам привыкает. Поэтому в мутациях нет ничего удивительного. Другое дело, что за обычными простудными коронавирусами, с которыми мы встречаемся каждый сезон, мы так тщательно не следим. Сравниваем мы SARS-CoV-2, как правило, с вирусом атипичной пневмонии 2003-2004 годов. А уж за тем, как развивается сам SARS-CoV-2, сейчас происходит беспрецедентно тщательный контроль. По вирусным меркам коронавирус не так изменчив. Было подсчитано, что в одном ВИЧ-инфицированном пациенте разница между двумя вирусами ВИЧ будет больше, чем между Уханьским и британским штаммом коронавируса! Собственно, это одна из причин, по которой до сих пор не удалось создать вакцину против постоянно «убегающего» от иммунной системы и мутирующего ВИЧ.
Как можно следить за мутациями?
Эволюционные биологи любят рисовать деревья, но не обычные, а филогенетические. Каждый листик — генетическая последовательность (например, ДНК какого-то вида животных или растений, РНК или ДНК вируса или даже аминокислотная цепочка белка). Самый удобный сайт, содержащий информацию о РНК коронавируса по всему миру — Neхtstrain.org. Информация на нем обновляется в реальном времени. Сайт был создан задолго до пандемии, и содержит информацию о распространении и эволюции многих инфекций, таких как вирус Зика, корь и туберкулез. Во время пандемии этот ресурс стал одним из важнейших инструментов борьбы с дезинформацией и фейками, так как это прекрасный пример открытости данных. Он позволяет в реальном времени понять, как быстро могут меняться вирусы и как вирус смог перепрыгнуть на нового хозяина. В этом материале мы расскажем о том, как пользоваться этим ресурсом и что мы на данный момент знаем о мутациях SARS-CoV-2.
Kакие бывают мутации и что значат все эти буквы и цифры в громких заголовках?
Генетический код, состоящий из четырех букв — это, пожалуй, самый красивый механизм в природе. Четыре буквы (А, Т, Г, Ц в ДНК и А, У, Г, Ц в РНК) обозначают четыре азотистых основания, последовательность которых и является генетическим кодом. В случае SARS-CoV-2 генетическая информация представляет собой молекулу РНК, в которой около 30 000 азотистых оснований. Сбором данных, которые используются для анализа сайтом Neхtstrain, занимается организация GISAID (первые буквы от global initiative on sharing avian influenza data). Эта организация появилась в 2006 году, чтобы объединить усилия во время эпидемии птичьего гриппа, и стала успешным примером открытости и борьбы с сокрытием данных о вспышках инфекционных заболеваний. На данный момент в открытом доступе можно найти почти 300 000 последовательностей геномов SARS-CoV-2 (геном=набор генов), которые расставлены в филогенетическом дереве с 5 января 2020 года по сегодняшний день.
Теперь о том, как вирус «решает», какие мутации ему нужны. Селективное давление —термин, который описывает степень воздействия естественного отбора, которая влияет на скорость появления генетических изменений. Еще в начале эпидемии высказывалось мнение, что коронавирус будет мутировать, а значит, «слабеть», чтобы не убивать хозяина. Но на самом деле,
SARS-СoV-2 не меняется в сторону снижения или повышения летальности, так как особого эволюционного давления для этого не наблюдается — смертность и так не слишком высока.
Важно повторить, что большинство мутаций проходят незамеченными и не сохраняются в популяции. Если мутация очень сильно мешает вирусу (например, полностью отключая очень важный ген), то, скорее всего, она не сохранится попросту потому, что вирусу от нее будет слишком плохо. А выигрышной для вируса будет мутация (или группа мутаций), которая поможет закрепиться в хозяине как можно дольше, не убивая его слишком быстро, чтобы успеть распространиться. Это и увеличение «заразности» (то есть, более эффективное проникновение в клетку и длительное асимптоматическое течение), и мутации, помогающие «спрятаться» от иммунной системы (а именно, от иммунных клеток памяти и антител).
Мухтар Садыков и его коллеги в своей недавней публикации отметили важность изучения как позитивного (то есть, когда мутации необходимы вирусу для адаптации), так и негативного селекционного давления (когда участки генома важны для функционирования вируса, то частота мутаций там ниже среднего).
Наибольшее количество изменений, — уже более 4000 мутаций, — происходит в знаменитом белке-шипе. Шипы на поверхности, из-за которых вирус и получил свое название (сходство с короной солнца), важны для того, чтобы прикрепиться к рецептору на поверхности клетки хозяина и заразить ее. Этот процесс можно себе представить так: вы — вирус, а ваша ладонь — белок-шип. Чтобы открыть дверь (рецептор на поверхности клеток АСЕ2) и зайти в комнату (в клетку), вы, вирус, держитесь ладошкой (белком-шипом) за ручку (участок на АСЕ2, который связывается с шипом). На этом видео вы можете посмотреть как именно происходит эта встреча.
Коротко о четырех главных мутациях
Теперь давайте проследим, как менялся коронавирус. Начать, пожалуй, следует с его происхождения. И хотя точного ответа у нас до сих пор нет, филогенетический анализ подсказывает нам, что SARS-СoV-2 ближе к коронавирусам летучих мышей и панголинов (или яванских ящеров), чем к вирусу атипичной пневмонии 2003-2004 годов SARS-СoV. Основная разница между двумя человеческими вирусами в том, что SARS-СoV-2 намного эффективнее «открывает дверь» в клетку, изменив тот самый белок-шип. И если в геноме коронавирусов летучих мышей этого «апдейта» пока не было обнаружено, то в коронавирусах панголинов схожее преимущество уже присутствует. Существуют две главные гипотезы происхождения SARS-СoV-2: он или мутировал в организме животного (летучей мыши или панголина), или же изменился до неузнаваемости уже в организме человека. Анализируя имеющиеся данные, ученые приходят к выводу о том, что искусственное создание коронавируса в лаборатории — версия хоть и интересная, но на данный момент беспочвенная. Доктор Мухтар Садыков на примере коронавируса также напоминает о важности контроля за вирусами животных:
«Согласно исследованиям, вирус, очень похожий с SARS-СoV-2, начал циркулировать в летучих мышах уже несколько десятков лет назад. Это важное напоминание о необходимости мониторинга за различными вирусами животных, чтобы предупредить возникновение эпидемий».
Итак, год назад появился новый коронавирус. Генетическая последовательность, которая используется в качестве начального образца генома коронавируса, была взята у пациента из Уханя в декабре 2019 года. Вирус тут же начал мутировать, а ученые сразу начали тщательно за этим следить. Уже в январе была замечена, пожалуй, главная мутация — D614G — замена аспартата на глицин на позиции 614 в белке-шипе. Мутация стала настолько важной и удобной для вируса, что уже к июню стала доминировать во всем мире. Эти две аминокислоты сильно различаются по своим свойствам и было ожидаемо, что такое изменение может значительно повлиять на поведение вируса. Как именно? Исходя из исследований на клетках, на лабораторных животных, а также согласно эпидемиологическим данным, мы можем сделать вывод о том, что этот вариант вируса заражает эффективнее, а также лучше размножается (Hou et al Science, 18 Dec 2020) в верхних дыхательных путях. Но также было предварительно показано, что эта мутация не влияет на тяжесть заболевания, на чувствительность к нейтрализующим антителам и на эффективность вакцин.
Следующий нашумевший вариант вируса называется «Cluster 5», он был обнаружен в июне 2020 в Дании у людей, работающих с норками. Тут важно отметить, что норки — важный и давно известный резервуар для инфекций, они способствуют ускоренному изменению вируса и поэтому контроль за ними очень важен. Этот вариант вируса содержит комбинацию мутаций всё там же, в белке-шипе: делеция (потеря) аминокислот на позициях 69-70; замена Y453F внутри участка, который связывается с ACE2; замена I692V and M1229I. Датские власти, а с ними и все мы, испугались не на шутку. Чтобы ограничить дальнейшее распространение этого варианта вируса, были уничтожены около 14 млн норок. А некоторые страны, например, Нидерланды, и вовсе запретят норковые хозяйства к 2024 году. Но по предварительным данным, эта мутация не влияет на тяжесть и степень передачи инфекции. Однако, у этого варианта слегка снижена чувствительность к нейтрализующим антителам, что вызывает некоторые опасения в связи с повторным заражением. Но Дания показала пример максимально быстрого реагирования, поэтому этот вариант удается держать под контролем.
Третья важная мутация, которая стала поводом для написания этого материала, является частью так называемого британского варианта коронавируса — VOC 202012/01 (он же VUI – 202012/01, он же B.1.1.7). Обнаружен он был в октябре 2020 года, на начало января он присутствует уже в более чем 30 странах. Он содержит 23 мутации, большинство из них находится в белке-шипе. Одна из мутаций схожа с датскими норками, это делеция на позициях 69-70. А главная мутация — N501Y — является заменой аминокислоты в маленьком участке белка-шипа, который связывается с АСЕ2. Комбинация этих двух мутаций, вероятно, и объясняет повышенную контагиозность данного варианта вируса. Как мы об этом узнали? Дело в том, что один из самых популярных ПЦР тестов в Великобритании — TaqPathCOVID-19 компании Thermo Fisher. Он определяет наличие 3 участков РНК вируса. Один из них, что находится в белке-шипе в аккурат на месте делеции 69-70, вдруг перестал выявляться, тогда как другие два были на месте. Это побудило британцев на всякий случай определить полную последовательность генома и обнаружить новый вариант вируса! Этот ПЦР тест дал нам много информации о распространении этого штамма за короткий срок (следить было проще простого — двa участка вместо трех), а реакция властей и возможность проведения массового секвенирования быстро позволила нам определить точные генетические изменения. Но это также говорит о том, что, возможно, в других странах мы попросту не заметили появление этого варианта, что еще раз подчеркивает значимость секвенирования.
Процент зараженных новым вариантом в Великобритании растет 
Последние данные о «британском» варианте коронавируса — более 8000 геномов на 4 января
На что влияет это изменение вируса? Ключевым фактором здесь является, видимо, комбинация мутаций, что, возможно, изменяет не только состав, но и форму шипа и других белков, что является своеобразной попыткой сбежать от «наручников» нейтрализующих (умелых, качественных) антител, которые должны в идеале сформироваться у нас по результату знакомства с вирусом или (внимание!) с вакциной. У нас есть некоторые данные о том, как эти мутации могут по отдельности влиять на поведение вируса. Так, потеря двух аминокислот на позициях 69-70 не только снижает эффективность некоторых диагностических тестов, как было описано выше, но также она, возможно, возникла в результате использования терапии плазмой переболевших пациентов.
То есть, возможно, использование антител в качестве терапии в некоторых пациентах может создавать среду для селективного давления и подобного изменения структуры вируса.
Следовательно, эта мутация может привести к тому, что вирус сможет избежать иммунного ответа антителами. Также в этом варианте присутствуют 6 мутаций в гене ORF1ab, но они пока мало изучены. Другой интересной мутацией является P681H, которая влияет на слияние мембраны клетки и оболочки вируса, что, возможно, помогает вирусу проникать в клетки респираторного эпителия, а также облегчает передачу вируса на животных моделях. Еще одно важное изменение: белок ORF8, который очень изменчив и значительно различается с аналогичным белком SARS-CoV (вируса атипичной пневмонии). Мутация, которая поменяла код 27 аминокислоты на знак «стоп» делает его последовательность в четыре раза меньше (26 аминокислот вместо 121). На что это влияет? Пока не ясно, но мы знаем, что этот белок сбивает с толку нашу иммунную систему, отключая интерферон, и имеет непосредственное отношение к цитокиновому шторму. Возможно, потеря функции этого белка повлияет на течение болезни, но это еще необходимо установить экспериментально. Ну и самая известная мутация N501Y (замена аминокислоты на позиции 501) находится в ключевом контактном участке белка-шипа, состоящем из 6 аминокислот. Предполагается, что это изменение может значительно повлиять на степень связывания с рецептором АСЕ2.
Какая у нас есть информация о распространении этого варианта? Качество данных зависит от страны (ресурсы для секвенирования и организация тестирования). Примером здесь, пожалуй, является Дания, которая секвенирует до 2000 геномов в неделю. 86 случаев VOC 202012/01 уже было зарегистрировано (11% всех новых случаев), и они развиваются в отдельной ветке, что означает, что имело место локальное распространение варианта. Ситуация же в Великобритании очень беспокоит, стране пришлось объявить новые строгие карантинные меры. Но дело здесь, скорее всего, не только в новом варианте вируса, а также в эпидемиологической ситуации по возвращению с каникул. Вообще относительно новых версий коронавируса важно не делать поспешных решений. Панику порождают высказанные вслух предположения. Так, некоторые британские специалисты высказались о том, что новый вариант опаснее для детей, но по факту, скорее всего, это связано с открытием школ.
Предварительно по эпидемиологическим данным из-за очевидного экспоненциального роста мы видим, что этот вариант возможно более заразен. Но так ли он опасен в плане тяжести болезни? На прошлой неделе британская правительственная комиссия опубликовала результаты исследования, которое говорит о том, что вариант VOC 202012/01 не является более опасным по тяжести заболевания. В этом когортном исследовании участвовали 1769 пациентов, зараженных новым вариантом коронавируса, и их данные сравнили с таким же числом пациентов, зараженных старым вариантом.
Итак, было показано, что нет статистической разницы в продолжительности и тяжести заболевания, в показателях смертности и в вероятности повторного заражения.
Поэтому основной вывод: без паники, новый вариант не так опасен, как его представляет Борис Джонсон!
И четвертый вариант вируса, который следует упомянуть — из Южной Африки под кодовым названием 501Y.V2. Он похож на британский, так как содержит ключевую мутацию N501Y, но появился он независимо от него. Этот вариант доминирует в южно-африканском регионе с ноября 2020 года, на сегодня обнаружен в четырех странах. Было показано, что такое изменение вируса повышает вирусную нагрузку, следовательно, возможно, более эффективно заражает клетки. А в остальном нужно больше данных. Кстати, количество данных напрямую зависит от доходов страны, ведь секвенирование в таком количестве, как в Европе, африканским странам не доступно. А нехорошо от этого нам всем, так как в случае с мутациями «Предупрежден — значит вооружен»! Будем надеяться, что пандемия заставит пересмотреть взгляд на технологическое неравенство.
Будут ли работать вакцины?
Пожалуй, самый обсуждаемый и сложный на сегодня вопрос. Мутации коронавируса обнажают недостатки и преимущества разных подходов к разработке вакцин. Традиционные цельновирионные (содержащие живой или убитый вирус) вакцины, возможно, менее подвержены кардинальному изменению эффективности из-за мутаций. Тогда как новые подходы, использующие часть вируса (белок или РНК), рискуют не сработать, так как изменения в вирусе могут быть слишком значимы. Безусловно, настораживает тот факт, что мутации, укрепившиеся в белке-шипе, могут сделать его неузнаваемым для антител, сформировавшихся после вакцинации. Мутации затронули участки, которые входят в состав самых успешных РНК вакцин от Pfizer/Biontech и Moderna. Основатель компании Biontech Угур Шахин успокаивает: «Да, мы знаем, что некоторые участки мутировали. Но там еще много участков, которые остались нетронутыми и пока нет оснований считать, что вакцина не сработает». К слову, компания Biontech уже проверила более 20 установившихся вариантов вируса, и сейчас проверяет «британский» вариант. Также ученый отметил, что в случае необходимости поменять РНК последовательность, они готовы это сделать за две недели, в короткий срок обеспечив миллионы новых доз. В этом главное преимущество РНК вакцин.
У Мухтара Садыкова есть интересные предположения относительно мутаций на белке-шипе:
«На данный момент есть уже с десяток установившихся мутаций на белке-шипе, которые отличаются от первого Уханьского вируса. А также есть множество других мутаций, которые помогают вирусу избежать распознавания иммунной системой. Сейчас, после массовой вакцинации, у вируса может появиться сильное эволюционное давление, особенно на белок-шип. Это может привести еще ко многим мутациям, что в итоге заставит нас пойти по сценарию ежегодной вакцинации, как с вирусом гриппа».
Фото: vlast.kz
Доктор Болат Султанкулов, работающий над проектом по использованию нанотел для диагностики коронавирусной инфекции, чуть более оптимистичен: «Я предполагаю, что существующие вакцины все-таки будут работать против нового штамма. Дело в том, в ответ на вакцину формируются поликлональные антитела, а это значит, что если нет кардинальных изменений в форме белка-шипа, антитела, вырабатывающиеся на вакцину, должны физически перекрывать доступ к участку, который связывается с АСЕ2. Однако, это лишь мое предположение и нам нужны экспериментальные данные от производителей вакцин. Единственное, чего мы еще не получили, так это данных о том что вирус слабеет, становится менее агрессивным по симптоматике, переходит в разряд «простудных», так как снижение смертности в основном связано с тем, что мир чуть-чуть научился лечить Ковид-19. После массовой вакцинации мы увидим насколько вирус приспосабливается, так как в популяции есть пул генотипа супер-распространителей, они, в свою очередь, и являются генераторами новых мутаций. Дело в том, что иммунная система супер-распространителей работает по-другому, они своего «летучие мыши». Будет очень интересно, как именно они реагируют на вакцинацию, так как предположительно они вырабатывают меньше антител и дают вирусу возможность мутировать, чтобы избежать иммунного ответа.
А как мы знаем из эпидемиологии, всегда есть «пациент 0» и одного человека достаточно, чтобы все началось заново. Возможно, это будет не в этом году, а через полгода или 10 лет.
Вирус, скорее всего никуда не исчезнет, нам остается лишь наблюдать и быть готовыми к быстрому реагированию. А предположение о том, что он никуда не уйдет и после вакцинации связано с его родичами, вызывающими обычную простуду. Остается надеяться на то, чтобы вирус пошел по их пути и просто ослаб».
Есть некоторые опасения по тому, как происходит сейчас вакцинация от Ковид-19. Дело в том, что она происходит двумя инъекциями. Первая — знакомство с антигеном и появление специфического иммунитета, а вторая — закрепление иммунитета в адекватной для защиты дозе. Существуют опасения, что вакцинация в низкой дозе (например, проведение первой инъекции и задержка второй) будет создавать селективное давление на вирус и даст рост еще большим изменениям. А поэтому не совсем уместно изменение графика вакцинации или вакцинация мизерной доли населения. По словам одного из создателей сайта Neхtstrain.org Эммы Ходкрофт, кампании по вакцинации должны быть быстрыми, масштабными и четко организованными. Если добавить к этому сложности с хранением и транспортировкой РНК вакцин, то задача не из легких.
Какие мы можем сделать выводы сейчас?
Сами по себе мутации — нормальный и постоянный для вирусов процесс. Большинство главных мутаций коронавируса не делают его опаснее в плане тяжести заболевания, ведь вирусу не нужно, чтобы мы умирали быстрее. Однако, возможно, они делают его заразнее, и для этого уже есть некоторые данные. Мутаций у коронавируса много (в одном только белке-шипе их более 4000), и мы за ними тщательно следим. Влияние этих мутаций на эффективность вакцин пока не было доказано, мы ждем данных от производителей вакцин и независимых лабораторий, которые сейчас проверяют это на новых вариантах.
Что делать нам всем? Дистанцируйтесь и надевайте маски, пока ученые получают больше данных. А мы будем держать вас в курсе новостей.
Асель Мусабекова — биолог и вирусолог, специально для Vласти