Тринадцать мутаций Омикрона должны были снизить шансы варианта на выживание. Вместо этого они работали вместе, чтобы сделать его процветающим.
Пока медсестры и врачи борются с рекордной волной случаев Омикрона, биологи-эволюционисты ведут собственную борьбу: выясняют, как появился этот господствующий в мире вариант.
Цветная сканирующая электронная микрофотография клетки, зараженной коронавирусом. Эволюция SARS-CoV-2 приняла неожиданный оборот в конце 2020 года, когда начали появляться новые варианты. Кредит…NIAID, через EPA, через Shutterstock.
Когда в ноябре на юге Африки появился вариант Omicron, ученые были ошеломлены его генетическим строением. В то время как более ранние варианты отличались от оригинальной уханьской версии коронавируса дюжиной или двумя мутациями, у Омикрона их было 53 — шокирующе большой скачок в эволюции вируса.
В исследовании, опубликованном в Интернете на прошлой неделе, международная группа ученых еще больше углубила тайну. Они обнаружили, что 13 из этих мутаций редко, если вообще когда-либо, обнаруживались в других коронавирусах, что позволяет предположить, что они должны были нанести вред Омикрону. Вместо этого, действуя согласованно, эти мутации, по-видимому, являются ключом к некоторым из наиболее важных функций Омикрона.
Тринадцать мутаций Омикрона почти не встречаются у других коронавирусах
Вариант Омикрон несет 30 мутаций в гене спайкового белка. 13 из этих мутаций, выделенных ниже, крайне редко встречаются у других коронавирусов.
Джонатан Корум | Примечание. Каждая мутация появляется в трех местах на шипе Омикрона. Некоторые мутации скрыты под этим углом.
КЛАСТЕР 1: Четыре мутации проявляются, когда кончик шипа раскрывается, чтобы захватить человеческие клетки, и могут помочь Омикрону зацепиться сильнее, чем другие варианты.
КЛАСТЕР 2: Четыре мутации, по-видимому, помогают Omicron более тесно связываться с клетками человека, а также уклоняться от некоторых антител, нацеленных на эту область.
КЛАСТЕР 3: Пять мутаций могут помочь Омикрону легче слиться с человеческими клетками и заразить их.
Как Омикрон бросил вызов обычным законам эволюции
Теперь исследователи пытаются выяснить, как Омикрон бросил вызов обычным законам эволюции и использовал эти мутации, чтобы стать таким успешным переносчиком болезней.
«Здесь есть загадка, которую кто-то должен разгадать», — сказал Даррен Мартин, вирусолог из Кейптаунского университета, работавший над новым исследованием.
Мутации — неотъемлемая часть существования коронавируса. Каждый раз, когда вирус размножается внутри клетки, существует небольшая вероятность того, что клетка создаст дефектную копию своих генов. Многие из этих мутаций сделают новые вирусы дефектными и неспособными конкурировать с другими вирусами.
Но мутация также может улучшить вирус. Например, это может заставить вирус более плотно прилипать к клеткам или ускорить его репликацию. Вирусы, которые наследуют полезную мутацию, могут превзойти другие.
На протяжении большей части 2020 года ученые обнаружили, что разные линии коронавируса по всему миру постепенно приобретают несколько мутаций. Эволюционный процесс был медленным и неуклонным до конца года.
В декабре 2020 года британские исследователи были потрясены, обнаружив в Англии новый вариант, несущий 23 мутации, которых не было в исходном коронавирусе, выделенном в Ухане годом ранее.
Этот вариант, позже названный Alpha, вскоре стал господствовать во всем мире. В течение 2021 года появились другие быстро распространяющиеся варианты. В то время как некоторые оставались ограниченными определенными странами или континентами, вариант Дельта с 20 отличительными мутациями вытеснил Альфу и стал доминирующим за лето.
А затем появился Омикрон с вдвое большим количеством мутаций. Как только Омикрон был обнаружен, доктор Мартин и его коллеги приступили к реконструкции радикальной эволюции варианта, сравнив его 53 мутации с мутациями других коронавирусов. Некоторые мутации были общими для Омикрона, Дельты и других вариантов, что позволяет предположить, что они возникали несколько раз и что естественный отбор снова и снова благоприятствовал им.
Но ученые обнаружили совсем другую закономерность, когда посмотрели на белок «шип», который усеивает поверхность Омикрона и позволяет ему цепляться за клетки.
Шипастый ген, 13 мутаций, кластеры, домен слияния…
Шипастый ген Омикрона имеет 30 мутаций. Исследователи обнаружили, что 13 из них были необычайно редки для других коронавирусов — даже для их дальних вирусных родственников, обнаруженных у летучих мышей. Некоторые из 13 никогда ранее не встречались среди миллионов геномов коронавируса, которые ученые секвенировали в ходе пандемии.
Образцы Omicron готовятся к геномному секвенированию в Исследовательском центре Ндлову в Эландсдорне, Южная Африка, декабрь.Кредит…Джером Делэй/Associated Press
Если бы мутация была полезной для вируса или даже нейтральной, ученые ожидали бы, что она будет чаще обнаруживаться в образцах. Но если он редкий или вообще отсутствует, это, как правило, признак того, что он вреден для вируса, препятствуя его размножению.
Что делает эти 13 мутаций еще более интригующими, так это то, что они не случайным образом разбросаны по шипу Омикрона. Они образуют три кластера, каждый из которых изменяет небольшую часть белка. И каждая из этих трех областей играет большую роль в том, что делает Omicron уникальным.
Два кластера изменяют шип возле его кончика, из-за чего человеческим антителам становится труднее прилипать к вирусу и удерживать его от проникновения в клетки. В результате Омикрон хорошо заражает даже людей, у которых есть антитела от прививок или предыдущей инфекции Covid.
Третий кластер мутаций изменяет шип ближе к его основанию. Эта область, известная как домен слияния, начинает действовать, как только кончик шипа зацепляется за клетку, позволяя вирусу доставлять свои гены внутрь своего нового хозяина.
Как правило, коронавирусы используют домен слияния для слияния с клеточной мембраной. Затем их гены могут уплыть в глубины клетки.
Домен слияния Омикрона действует по особому
Но домен слияния Омикрона обычно делает что-то другое. Вместо того, чтобы сливаться с клеточной мембраной, весь вирус поглощается своего рода клеточной раковиной, которая отщипывается, образуя пузырь внутри клетки. Как только вирус попадает внутрь пузыря, он может вскрыться и высвободить свои гены.
Этот новый путь заражения может помочь объяснить, почему Омикрон менее опасен, чем Дельта. Клетки в верхних дыхательных путях могут легко поглощать Омикрон в пузырьках. Но глубоко в легких, где Covid может нанести опасный для жизни ущерб, коронавирусы должны сливаться с клетками, с чем Omicron справляется плохо.
Эти три области шипа, по-видимому, сыграли важную роль в успехе Omicron. Это делает еще более загадочным тот факт, что эти 13 мутаций были так исчезающе редки до Омикрона.
Доктор Мартин и его коллеги подозревают, что причиной является «эпистаз»: эволюционное явление, которое может привести к тому, что мутации будут вредны сами по себе, но принесут пользу в сочетании.
Тринадцать мутаций, слабый иммунитет и как появился Омикрон
Омикрон, возможно, превратил серию из 13 плохих мутаций в свою пользу, развиваясь в необычных условиях. Одна из возможностей состоит в том, что он возник после длительного пребывания в организме человека с особенно слабой иммунной системой, например, у ВИЧ-инфицированного. Люди с хроническими инфекциями Covid могут стать эволюционными лабораториями, в которых живут многие поколения коронавирусов.
Эволюция может протекать в таком хозяине совсем иначе, чем если бы он переходил от одного здорового человека к другому каждые несколько дней или недель.
«Теперь он застрял в этом человеке, так что внезапно он начал делать то, чего обычно не делал бы», — сказал Сергей Понд, биолог-эволюционист из Университета Темпл и автор нового исследования.
Поскольку хозяин с ослабленным иммунитетом не вырабатывает много антител, многим вирусам остается размножаться.
На этом изображении, полученном с помощью трансмиссионного электронного микроскопа, показан вирус SARS-CoV-2, также известный как 2019-нКоВ, — вирус, вызывающий COVID-19.
Мутация, которая позволяет вирусу уклоняться от антител, не обязательно полезна. Например, это может сделать шиповидный белок вируса нестабильным, так что он не сможет быстро закрепиться на клетке. Но внутри человека со слабой иммунной системой вирусы могут получить новую мутацию, которая снова стабилизирует спайк.
Подобные мутации могли возникать снова и снова у одного и того же человека, полагает доктор Понд, пока компания Omicron не вывела шиповидный белок с правильной комбинацией мутаций, позволяющей ему очень хорошо распространяться среди здоровых людей.
«Это, безусловно, кажется правдоподобным», — сказала Сара Отто, биолог-эволюционист из Университета Британской Колумбии, не участвовавшая в исследовании. Но она сказала, что ученым все еще нужно провести эксперименты, чтобы исключить альтернативные объяснения.
Возможно, например, что 13 шиповидных мутаций вообще не приносят Омикрону никакой пользы. Вместо этого, успех Омикрона могут сделать некоторые другие шиповидные мутации, и 13 мутаций уже готовы.
Джеймс Ллойд-Смит, эколог болезней из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который не участвовал в исследовании, сказал, что исследование показало, насколько сложно реконструировать эволюцию вируса, даже если он возник недавно. «Природа, безусловно, вносит свой вклад в то, чтобы мы оставались скромными», — сказал он.
