Цивилизация
###1###
Вирус гриппа — чемпион мутации
Ежегодно тяжелую форму гриппа переносят от трех до пяти миллионов человек, до 500 тысяч из которых умирают от самого гриппа или его осложнений (по данным ВОЗ). Прививки от гриппа, конечно, существенно снижают вероятность заболеть. Однако
в отличие от таких болезней, как корь или туберкулез, иммунитет к которым вырабатывается после первого заболевания или прививки и остаётся эффективным в течение всей жизни, гриппом многие болеют практически каждый год.
Эффективность иммунитета определяется тем, насколько успешно иммунная система распознает и обезвреживает источник инфекции — вирус или бактерию. При первом заражении или прививке иммунная система учится вырабатывать антитела — молекулы, которые связываются с вирусными частицами или бактериями и обезвреживают их. Однажды выработав антитела, иммунная система оставляет их «на вооружении» до конца жизни.
Поэтому, если человек заражается той же самой инфекцией повторно, иммунитет срабатывает и инфекция быстро обезвреживается. Именно по такому принципу работают прививки против кори, туберкулёза и других заболеваний. Почему же этот механизм дает сбой с вирусом гриппа и прививаться от гриппа приходится каждый год заново?
Это связано с двумя причинами. Первая — это особенность взаимодействия между нашей иммунной системой и вирусом. Поверхность частиц вируса гриппа покрыта молекулами двух белков, называемых гемагглютинин (HA) и нейраминидаза (NA) (см. рисунок). По типу этих белков классифицируются различные варианты гриппа человека, например, H1N1 (гемагглютинин типа 1, нейраминидаза типа 1). Человеческая иммунная система умеет вырабатывать антитела, которые успешно связываются с этими белками. Проблема заключается в том, что эти антитела довольно «привередливы». Даже небольшие изменения в структуре HA и NA приводят к тому, что антитела теряют способность связываться с ними и обезвреживать вирус.<1>
С точки зрения иммунной системы такие модифицированные варианты уже известного вируса выглядят как совершенно новые инфекции.
Во-вторых, на помощь вирусу приходит чрезвычайно полезное для него (и вредное для нас) свойство — способность быстро эволюционировать. Как и все другие организмы, вирус гриппа подвержен случайным мутациям. Это значит, что генетическая информация вирусов-потомков немного отличается от генетической информации вирусов-родителей. Таким образом, мутации постоянно создаются новые варианты белков HA и NA. Однако в отличие от высших живых организмов и от многих других вирусов грипп видоизменяется очень быстро:
чтобы накопить столько же мутаций, сколько белки млекопитающих накапливают за миллионы лет, вирусу гриппа требуется всего несколько лет или даже месяцев.
Таким образом, эволюцию вируса гриппа мы можем наблюдать буквально в реальном времени.
Некоторые из мутаций гриппа приводят к тому, что иммунная система, «натренированная» на старый штамм, распознаёт мутировавший вирус хуже, чем не мутировавший. В то время как иммунитет эффективно борется с немутировашими вирусами, вирусы-мутанты размножаются и заражают всё большее и большее количество людей. Это классический процесс естественного отбора, открытого Чарльзом Дарвином.
Отбор осуществляет иммунная система, которая, защищая нас, невольно оказывает нам медвежью услугу.
Через некоторое время — как правило, два-три года — старый, не мутировавший штамм (вариант вируса) полностью вымирает, а вирус-мутант становится новым доминирующим штаммом. Иммунная система большинства людей учится справляться и с новым штаммом, и цикл повторяется. Такая «гонка вооружений» между вирусом и иммунной системой продолжается десятилетиями.+++
###2###
Как бороться с гриппом
Как в таком случае бороться с гриппом? Есть несколько способов помочь нашей иммунной системе. Во-первых, создаются противовирусные препараты, например, озельтамивир (известный под торговой маркой «Тамифлю») или амантадин, которые препятствуют воспроизводству вируса внутри клеток. К сожалению, вирусы со временем вырабатывают устойчивость к таким препаратам посредством того же процесса мутаций и естественного отбора:
так, почти весь вирус подтипа H1N1, циркулировавший в 2009 году, оказался устойчив к озельтамивиру («Тамифлю»).
Во-вторых, ученые пытаются научить иммунную систему распознавать менее изменчивые части вируса (об этом писала «Газета.Ru»).
В-третьих, ученые пытаются предсказать, какой штамм вируса окажется наиболее распространенным в следующем году. Если мы научимся это делать, мы сможем «переобучать» нашу иммунную систему по мере необходимости, заранее делая прививку против того штамма, который будет преобладать в следующем сезоне, и наш иммунитет получит фору в гонке вооружений с вирусом. Собственно,
уже сегодня Всемирная организация здравоохранения обновляет состав вакцины от гриппа каждые полгода.
Однако иногда — раз в несколько лет — преобладающим оказывается не тот штамм, на основе которого разрабатывалась вакцина; в таком случае прививка оказывается менее эффективной. Поэтому точное предсказание штамма, который будет наиболее распространён в следующем году, является одной из важных задач борьбы с гриппом.
Наша группа (Джонатан Душофф, Джошуа Плоткин, Георгий Базыкин и Сергей Кряжимский) занимается изучением эволюции вируса гриппа и других организмов уже несколько лет. Наше сотрудничество началось в Принстонском университете в лаборатории профессора Саймона Левина, чьими аспирантами мы были в разные годы. Нас с самого начала интересовали как практические вопросы (как наиболее эффективно предсказать следующий преобладающий штамм), так и фундаментальные вопросы эволюции, например,
является ли эволюция гриппа направленной или случайной.
Задачей нашего последнего совместного проекта было определить взаимосвязь между мутациями, происходящими в разных частях белков HA и NA. Дело в том, что одна и та же мутация, скажем, в белке HA может иметь очень разные последствия для вируса в зависимости от того, произошли ли мутации в других частях того же белка. Например, мутация А позволяет вирусу стать «невидимым» для иммунной системы только в паре с мутацией Б, в то время как каждая из мутаций сама по себе для вируса бесполезна. Обнаружить такие пары мутаций, называемых эпистатическими, можно, проанализировав статистические закономерности в генетических последовательностях вируса. Это мы и сделали в нашей последней работе.
Такой анализ стал возможен лишь в последние годы, когда резко упала стоимость «секвенирования», то есть выяснения генетических последовательностей.
Количество генетических последовательностей вируса гриппа, зарегистрированных в базе данных Influenza Virus Resource, за последние пять лет выросло более чем в шесть раз и достигает 150 тысяч. Такого количества данных достаточно, чтобы обнаружить эпистатические пары мутаций, которые произошли в вирусе гриппа за последние 100 лет.
Оказывается, количество эпистатических мутаций в гриппе достаточно велико, то есть избежать атаки иммунной системы или обрести невосприимчивость к антивирусному препарату могут, по всей видимости, лишь весьма специфические варианты вируса, которые обзаводятся необходимыми комбинациями мутаций. Например, невосприимчивость к препарату озельтамивир появилась в 2009-м году только у вирусов, обладающих как минимум тремя специфическими мутациями в белке NA.
С практической точки зрения тот факт, что мутации в вирусе гриппа эпистатические, позволяет надеяться, что в ближайшем будущем мы научимся предсказывать последующие мутации по предыдущим. Пока вирус «собирает» все необходимые мутации для успешной комбинации, мы сможем разработать новую вакцину против штамма, обладающего всей комбинацией, который распространится только через несколько месяцев или даже лет.
Чтобы определить успех той или иной мутации в сочетании с другими, необходимо понять, как именно происходит взаимодействие между мутациями
и как они, совместно и по отдельности, влияют на структуру белков HA и NA, а также разобраться, как иммунная система реагирует на модифицированные варианты этих белков. Эти вопросы сейчас активно исследуются, в особенности в группе Джошуа Плоткина в Университете Пенсильвании, с которой мы активно сотрудничаем, а также другими коллективами.+++