Эволюция SARS-CoV-2: как появляются новые штаммы?

Штаммы вирусов

С начала пандемии ученые исследуют образцы SARS-CoV-2 — возбудителя COVID-19. Некоторые штаммы вируса гораздо легче передаются от человека к человеку, другие могут обладать более высокой летальностью. Что такое штаммы, сколько их может быть и от всех ли помогают вакцины? Об этом ПостНаука спросила вирусолога Любовь Козловскую.

Что такое штамм?

Штамм — это выделенный и закрепленный в лабораторных условиях образец вируса, обладающий определенными неизменными свойствами. Штаммы вирусов не являются аналогами видов у других живых существ. Все полученные учеными штаммы SARS-CoV-2 — это не новые вирусы, а разновидности одного и того же вируса.

Некоторые штаммы называют прототипными, образцовыми, и все остальные штаммы сравнивают с ними, чтобы установить степень их близости.

Получившая широкое распространение группа вирусов всегда будет иметь определенные сходства, и именно их фиксируют с помощью анализа конкретных штаммов. Индивидуальные характеристики штаммов обоснованно можно экстраполировать на генетически близкие им образцы.

Сами по себе штаммы не циркулируют в природе, они существуют исключительно в лабораториях. А в природе распространяются вирусы, похожие по последовательности генов на прототипный образец в лаборатории.

Как появляются новые варианты вирусов?

Вирусы не могут осуществлять жизнедеятельность вне клеток какого-то организма. Однако так же, как и остальные способные к размножению органические существа, вирусы имеют генетический код — последовательность нуклеотидов в виде РНК или ДНК, определяющую их свойства и признаки.

Процесс деления (репликации) генома неизбежно влечет за собой неточности и ошибки при копировании генов — мутации. Некоторые ошибки могут закрепиться и начать передаваться в поколениях (наследоваться), что, в свою очередь, может привести к появлению варианта вируса с новыми свойствами. 

Как быстро мутирует SARS-CoV-2?

У эукариотических клеток, в том числе больших организмов, есть система белков, которая позволяет исправить ошибки, сделанные во время репликации генома.

Большинство вирусов, особенно РНК-вирусов, таким механизмом не обладают, из-за чего они мутируют с большой скоростью. Как правило, среднестатистический РНК-вирус, инфицировавший как минимум миллион человек, очень сильно отличается от оригинала. К примеру, если бы какой-то из полиовирусов был в схожих с SARS-CoV-2 условиях, за аналогичное время циркуляции в человеческой популяции он бы поменял уже почти треть своего генома. 

Но репликативная система SARS-CoV-2 может корректировать ошибки, возникающие во время копирования геномной РНК. Это позволяет ему копировать геном с достаточно высокой для вируса точностью, но не безошибочно. Геном каждого конкретного вируса неизбежно будет отличаться от генома прародителя. Кроме того, потенциал мутаций любого коронавируса ограничен величиной его РНК. В то время как большинство вирусов укладываются в последовательность из 5–10 тысяч нуклеотидов, коронавирусы обладают одной из самых длинных РНК: их геном состоит из 29 тысяч нуклеотидов. 

Таким образом, SARS-CoV-2 является достаточно медленно мутирующим вирусом в сравнении с другими. Сегодня человечество имеет дело с очень небольшим числом его разновидностей. Их было бы гораздо больше, если бы какой-то другой тип вируса попал в человеческую популяцию.

Что способствует возникновению новых вариаций SARS-CoV-2?

Для эволюции любого вируса важны два параметра: насколько активно вирус распространяется и насколько долго он существует в организме человека. При этом не существует строгого набора критериев, предопределяющих изменения вируса. Мутации носят случайный характер, и не все изменения способны закрепиться в следующих поколениях. Сейчас у человечества нет достаточных знаний и ресурсов, с помощью которых мы могли бы предсказывать такого рода процессы. 

Залогом эволюционного успеха SARS-CoV-2 стала его очень высокая трансмиссивность, то есть способность передаваться от человека к человеку. Именно поэтому он смог так распространиться по миру и вызвать длящуюся уже больше года пандемию, в то время как его ближайший родственник, SARS-CoV-1, ответственный за вспышку атипичной пневмонии в начале 2000-х, быстро угас. Благодаря изменению части генотипа новый коронавирус существенно увеличил свою трансмиссивность. Это позволило ему, с одной стороны, передаться большему количеству людей, а с другой — на руку вирусу сыграл и увеличенный инкубационный период SARS-CoV-2. На активность циркуляции вируса и опосредованно частоту мутаций также влияют особенности проживания и социальная среда в какой-то местности. Если на определенной территории люди живут скученно и много контактируют друг с другом, это создает благоприятные условия для распространения вируса. Кроме того, источником для новых разновидностей SARS-CoV-2 могут стать люди, у которых из-за особенностей состояния здоровья вирус получает возможность находиться в организме аномально долгое время.

Как правило, при обычном протекании болезни шанс на возникновение множества стабильных мутаций в теле человека крайне мал. Однако люди с некоторыми хроническими заболеваниями, такими как первичные иммунодефициты, могут становиться своеобразными инкубаторами для новых разновидностей SARS-CoV-2.

Какие штаммы сейчас наиболее распространены?

Всего к этому моменту выявлены пять вызывающих опасения вариантов SARS-CoV-2, у которых ученые обнаружили значительные изменения генома, опосредующие изменения свойств вируса. Исследователи в первую очередь обращают внимание на их трансмиссивность, летальность и способность обходить иммунную защиту, сформированную перенесенной болезнью или вакцинацией.

География распространения 5 опасных штаммов SARS-CoV-2: B.1.1.7 (филогенетическая
География распространения 5 опасных штаммов SARS-CoV-2: B.1.1.7 (филогенетическая ветвь 20I/501Y.V1), B.1.427 (20C), B.1.429 (20C), B.1.351 (20H/501.V2), P.1 (20J/501Y.V3). // Источник: Nextstrain

Наиболее известным за счет широкого ареала распространения стал британский вариант SARS-CoV-2, известный также как B.1.1.7. Впервые он был зафиксирован в декабре 2020 года и позже выявлен практически во всех странах Западной Европы и Северной Америки, а также в Японии, Австралии и Бразилии. Основная опасность этой разновидности — ее повышенная трансмиссивность: по разным оценкам, пациент, зараженный британским вариантом вируса, может инфицировать на 50% больше человек. С оценкой летальности сложнее, но есть свидетельства, согласно которым смертность от этой разновидности SARS-CoV-2 могла вырасти на 35%. К счастью, эффективность вакцин против него в среднем такая же, как и против вариантов вируса, на основе которых эти вакцины разрабатывались.

Другая значимая разновидность SARS-CoV-2, B.1.429, была впервые обнаружена в США, штате Калифорния, в июне 2020 года. Долгое время она распространялась локально, однако со временем была выявлена по всему штату, а единичные случаи зарегистрированы во многих странах. В феврале 2021 года ученые обнаружили новую, гибридную версию калифорнийского варианта, обладающего частью генома британской разновидности. Сама по себе калифорнийская версия, как свидетельствуют исследования, была несколько менее уязвима к антителам, и теперь есть шанс ее более широкого распространения.

Южноафриканский вариант SARS-CoV-2, B.1.351, впервые удалось выделить в октябре 2020 года, а исследования завершились к концу декабря. Чаще всего эта разновидность обнаруживалась в ЮАРстранах южной Африки, а также в Великобритании и других странах Западной Европы. Ключевые отличия этого штамма — высокая трансмиссивность, сравнимая с британским вариантом, и сравнительно высокая устойчивость к антителам. Ряд исследований показывают, что штамм лучше уходит от иммунного ответа и для его нейтрализации требуется более высокий уровень антител. Эти данные разнятся от вакцины к вакцине, однако во всех случаях фиксируется более низкая эффективность. К счастью, нет данных, указывающих на большую летальность южноафриканского варианта SARS-CoV-2. 

Больше всего вопросов на данный момент вызывает бразильский вариант SARS-CoV-2 под кодовым наименованием P.1. Впервые он был обнаружен в Японии 6 января 2021 года у четырех человек, вернувшихся из бразильского региона Амазония. Столица региона Манаус привлекла внимание вирусологов тем, что за короткий срок там произошло сразу две вспышки COVID-19 — в мае 2020-го и на рубеже 2020–2021 годов. За это время естественный постинфекционный иммунитет не мог полностью исчезнуть, и это говорит в пользу того, что бразильская разновидность SARS-CoV-2 обладает мутациями, уходящими от взаимодействия с защитными антителами. 

Предварительные исследования этого варианта вируса говорят о том, что он также может оказаться в полтора (по некоторым данным — в два) раза заразнее тех, что были ранее. Более того, есть опасения, что бразильский штамм может обладать повышенной летальностью, хотя высокое число погибших от этого варианта вируса людей может объясняться и непропорциональной нагрузкой на систему здравоохранения Манауса.

При этом важно помнить, что эмпирическая база для всех этих исследований собрана в полевых условиях, а не в рамках контролируемого эксперимента. Человечество впервые оказывается в ситуации, когда данные о пандемии прирастают с такой огромной скоростью. В обычных условиях у ученых уходят месяцы и годы на подведение подобных итогов, поэтому в такой экстремальной ситуации, безусловно, возможны ошибки, неточности и поспешные выводы.

Филогенетические ветви штаммов SARS-CoV-2, распространенные в России (по
Филогенетические ветви штаммов SARS-CoV-2, распространенные в России (по состоянию на 13 апреля 2021 года): оригинальная (20A), британская (20B), бразильская ветви (20I/501Y.V1). // Источник: Nextstrain

Как разные вариации коронавируса действуют на организм?

На данный момент не выявлено серьезных различий между вариантами SARS-CoV-2, способными повлиять на его механизм взаимодействия с человеком.

Все его варианты по-прежнему воздействуют в первую очередь на дыхательную систему человека, взаимодействуя с альвеолярными эпителиальными клетками. 

Однако варианты SARS-CoV-2 могут отличаться между собой эффективностью такого взаимодействия. Так, измененный шиповидный белок, обнаруженный у британских штаммов, по имеющимся сегодня сведениям может активнее взаимодействовать с человеческими клетками, чем отчасти может объясняться его более высокая трансмиссивность.

Можно переболеть сразу несколькими разновидностями SARS-CoV-2?

Повторное заражение возможно даже одной и той же разновидностью вируса, поскольку с течением времени уровень антител в крови человека уменьшается. В случае с новыми вариантами SARS-CoV-2 риск повторно заболеть выше. Это происходит из-за того, что антитела вырабатываются против определенных белков, присутствующих в конкретном штамме. 

Если в нем произойдут какие-то значительные изменения, то часть антител не сможет никак помочь в борьбе с изменившимся SARS-CoV-2. При этом оставшейся части антител будет не хватать для эффективной нейтрализации вируса и купирования инфекции. 

Насколько эффективны существующие вакцины для борьбы с новыми вариациями SARS-CoV-2?

Эффективность вакцин в медицине измеряется с помощью оценки количества (этот показатель называется титром и измеряется в единицах антител на определенный объем крови) и разнообразия антител к вирусу в крови человека. Основываясь на получаемых данных о вакцинах против SARS-CoV-2, мы вынуждены признать, что против некоторых разновидностей вакцинация менее эффективна. К примеру, против южноафриканского варианта требуется больше нейтрализующих антител. Количества, которое появляется после вакцин Pfizer/BioNTech и AstraZeneca, недостаточно, ведь их разрабатывали на основе оригинального варианта SARS-CoV-2. 

Но это нормально и не должно вызывать слишком больших опасений. Большинство вакцин против других инфекций были разработаны давно на основании вариантов вирусов, распространенных около 30–60 лет назад. Эти вакцины сейчас прекрасно работают, и от них не собираются отказываться в ближайшем будущем. 

Даже если стопроцентной защиты от всех разновидностей SARS-CoV-2 новые вакцины не дают, то вырабатываемые с их помощью антитела все равно будут помогать человеку бороться с болезнью. Первоочередная задача медицины — защитить пациентов от серьезных последствий COVID-19: пневмонии, тромбозов и других. Любая вакцина значительно снижает риск тяжелого течения заболевания, поэтому не стоит отказываться от вакцинации из-за отсутствия ее стопроцентной эффективности.

Автор: Любовь Козловская

Источник: https://postnauka.ru/faq/156296