Evolúcia chrípky: Ako vedci používajú sekvenovanie génov na predpovedanie budúcnosti

Evolúcia je zvyčajne veľmi pomalá, proces zmeny, ktorý trvá tisíce alebo milióny rokov.

Ale pre chrípku je evolúcia rýchla - a smrtiaca. Chrípkové vírusy sa rýchlo menia, aby unikli obrane tela. Každých pár rokov sa objavujú nové varianty chrípky a spôsobujú epidémie na celom svete.

Riadenie šírenia chrípky znamená riešiť tento prebiehajúci vývoj. Odborníci zo Svetovej zdravotníckej organizácie (WHO) musia každý rok čo najlepšie odhadnúť, ako sa vírus zmení, aby si vybrali, ktoré chrípkové kmene zahrnú do ročnej vakcíny.

Táto práca je ťažká a neistá a chyby majú skutočné dôsledky. Celosvetovo chrípka infikuje každoročne niekoľko miliónov ľudí a spôsobuje stovky tisíc úmrtí. V rokoch, keď predpovede chýbajú a chrípka je veľmi odlišná od cirkulujúcich kmeňov, je viac ľudí náchylných na infekciu.

V posledných niekoľkých rokoch pokroky v sekvencovaní genómu začali vrhať svetlo na počiatky vývoja vírusov, hlboko v rámci jednotlivých infekcií. Zaujímalo by nás, či by nám tieto informácie pre chrípku mohli poskytnúť pohľad na budúce globálne vývojové trendy.

Čo by nám mohla nákaza jedinca spôsobiť, ako sa vírus mení na celom svete? Ako sa ukazuje, prekvapujúce množstvo.

Hľadáte hlboko vnútri infekcie

Každý krok vývoja chrípky začína chybou. Ako sa vírusy kopírujú v infikovanej osobe, niekedy mutujú a vytvárajú malé zmeny v ich genetickom pláne.

Väčšina mutácií je pre vírus škodlivá, pretože rozbíja stroj, ktorý potrebuje na fungovanie. Ale každý tak často prežije mutantný vírus a dokonca sa mu darí. Vírusy hrajú konštantnú hru mačiek a myší s ľudským imunitným systémom. Niekedy môže byť mutantný vírus dosť odlišný na to, aby unikol z tela.

Mutantný vírus s takouto výhodou sa môže rýchlo množiť a ovládnuť infekciu. Nakoniec sa môže dokonca šíriť z človeka na človeka a odtiaľ sa začať šíriť po celom svete.

V poslednej dobe je ľahšie sledovať, ako sa v ľudskom tele menia vírusy. Rovnaké pokroky, ktoré ho robili lacnými a ľahko sekvenovateľnými ľudskými genómami, menia spôsob, akým študujeme vírusy. Pre náklady na sekvenovanie jediného ľudského genómu môžeme sekvenovať tisíce vírusov z celej infekcie a sledovať nové mutácie tak, ako vznikajú.

Tieto mutácie nám môžu ukázať, ako vírus reaguje na náročné prostredie v ľudskom tele. Pre HIV, kde infekcie často trvajú roky alebo dokonca desaťročia, môže byť vývoj podstatný dokonca aj v rámci jednej osoby. Najmä vírusy často vyvolávajú rezistenciu na liečivo ako odpoveď na antivírusovú liečbu.

Sledovanie chrípkovej evolúcie v 4 dlhých infekciách

Nedávno sme sledovali vývoj vírusov u štyroch pacientov s rakovinou, ktorí mali chrípkové infekcie trvajúce niekoľko mesiacov. Väčšina infekcií chrípky trvá približne týždeň, čo obmedzuje množstvo zmien, ktoré sa môžu vyskytnúť. Ale u pacientov so slabým imunitným systémom môžu infekcie trvať dlhý čas s vážnymi účinkami.

Ako sa chrípka zmenila v týchto dlhých infekciách? Sekvenovaním vírusov z rôznych časov počas infekcie a porovnaním ich genómov sme boli schopní identifikovať nové mutácie a sledovať ich osudy.

Evolúcia fungovala v priebehu niekoľkých týždňov. Jedným z jasných príkladov bol odpor voči Tamiflu. Pacienti, ktorí sme študovali, užívali liek na kontrolu infekcií. Ale ako v predchádzajúcich štúdiách sa nakoniec objavili vírusy nesúce mutácie rezistencie na lieky. Tieto mutácie môžu čiastočne vysvetliť, prečo infekcie trvali tak dlho.

Mutácie rezistencie na lieky neboli jediné evolučné zmeny, ktoré sme videli. Polovica tuctov mutantných vírusov, ktoré sa od seba navzájom mierne líšia, by niekedy súťažila súčasne v jedinej osobe.

Tieto konkurenčné vírusy robili vývoj komplikovanou záležitosťou. Mutácia, ktorá sa začala šíriť jeden týždeň, by niekedy vyhynula. Pravdepodobne bola prekonaná ešte lepšou mutáciou.

V niektorých prípadoch sme v našej štúdii našli presne rovnaké mutácie vo vírusoch od rôznych pacientov, aj keď sme mohli povedať, že sa pacienti navzájom neinfikovali. Len veľmi zriedkavo očakávame, že takéto podobnosti sa stanú náhodou. Vírusy môžu naraziť na podobné úpravy v reakcii na vývojové výzvy. Niektoré z týchto mutácií mohli pomôcť vírusu vyhnúť sa imunitnému systému, čo je v súlade s inými štúdiami.

Prognózovanie budúcnosti

Mnohé mutácie v týchto pacientoch navyše zodpovedali mutáciám, ktoré sa neskôr rozšírili po celom svete. V hrotoch vonkajšieho plášťa chrípky, ktoré pomáhajú vírusu vstúpiť do hostiteľských buniek, sa mutácia N225D objavila u troch zo štyroch pacientov v našej štúdii. Do roku 2015, asi 8 rokov po infikovaní našich pacientov, väčšina chrípkových vírusov na celom svete vykonala tú istú zmenu.

Pre nás to bolo nečakané. Evolúcia je plná kompromisov a niektoré mutácie, ktoré pomáhajú prispôsobiť sa chrípke u ľudí, môžu spomaliť jej prenos z človeka na človeka. Tiež sme nevedeli, či by vývoj v takýchto neobvykle dlhých infekciách chrípky zodpovedal zmenám vo svete.

V našej štúdii však vývoj chrípky u jednotlivých ľudí ukázal pozoruhodnú podobnosť s vývojom po celom svete. Môžeme vidieť náznaky niektorých globálnych vývojových trendov len v niekoľkých jedincoch.

Keďže technológie sa naďalej zlepšujú, je ľahšie pozrieť sa hlboko do chrípkových infekcií, ako sme to urobili. WHO laboratória sekvencia chrípkových kmeňov z tisícok ľudí každý rok sledovať vývoj chrípky. Výskumníci sekvenujú čoraz viac kmeňov spôsobmi, ktoré nám umožňujú zachytiť mutácie tak, ako sa vyskytujú v rámci jednotlivých ľudí.

Každá z týchto tisícov infekcií je ako samostatný evolučný experiment. Porovnaním mutácií, ktoré sa objavujú v rôznych infekciách, môžeme získať pocit evolučných možností a obmedzení.

Niekde v rade môže tento druh informácií pomôcť predpovedať vývoj chrípky. Aspoň teraz je to odhalenie niektorých dynamických procesov evolúcie, ku ktorým dochádza v každom z nás.

Tento článok bol pôvodne uverejnený na Konverzácii Katherine Xue a Jesse Bloom. Prečítajte si pôvodný článok.