Вирус гриппа остается «на гребне волны» в изменяющемся эволюционном ландшафте

Российские молекулярные биологи и биоинформатики открыли важные закономерности в эволюции вируса гриппа. Эти закономерности в перспективе позволят точнее предсказывать, какие штаммы вируса будут преобладать в популяции в следующем сезоне, чтобы правильно сконструировать сезонную вакцину.

Вирус гриппа относится к очень быстро эволюционирующим патогенам. Чтобы его контролировать, необходимо научиться предсказывать эволюцию вируса. Такое предсказание осложняется непостоянной внешней средой, в которой приспособленность разных штаммов постоянно меняется. Вирус находится под действием отбора, создающего новые варианты, при котором в белках вируса одни аминокислоты заменяются на другие, более адаптивные в новых условиях.

Вероятность замены какой-либо аминокислоты в молекуле белка вируса в ходе эволюции зависит от приспособленности, которую придает вирусу эта аминокислота: чем она выше, тем ниже вероятность замены. Ученые выдвинули гипотезу, что вероятность замены аминокислоты меняется с течением времени. В поверхностных, антигенных сайтах белка приспособленность, связанная с определенными аминокислотами, с течением времени падает, так как иммунная система хозяина обучается распознавать эти антигены. Авторы назвали этот процесс «сенесценцией», то есть «старением» аминокислот. Напротив, на внутренних сайтах белка, которые не связаны с антигенными свойствами, с течением времени аминокислоты повышают приспособленность, и вероятность их замены снижается — это явление называется «укреплением».

Выдвинули и проверили гипотезу специалисты ЦНИИ эпидемиологии, Сколковского института науки и технологий, Института проблем передачи информации (ИППИ) РАН и других научных организаций в сотрудничестве со специалистами Медицинской школы Джонса Хопкинса в Балтиморе, США. Статья с ее результатами опубликована в журнале PNAS.

Свою гипотезу исследователи проверили на двух субтипах вируса гриппа: H1N1 (сезонный вирус) и H3N2. Они проследили за эволюцией двух поверхностных белков: гемагглютинина (НА) и нейраминидазы (NA). Используя компьютерное моделирование, они реконструировали эволюцию вируса в прошлом и определили аллели, в которых вероятность замены аминокислот со временем увеличивается, и аллели, в которых вероятность замены аминокислот со временем падает. Для вируса H3N2 разные модели показали, что вероятность замены аминокислот увеличивается в большинстве поверхностных сайтов, отвечающих за антигенные характеристики вируса, НА и NA, то есть происходит «старение» аминокислот. В NA эта тенденция была выражена сильнее, чем в НА. Напротив, в большинстве внутренних сайтов вирусных белков происходит «укрепление» аминокислот.

Эволюционные события, происходящие с вирусом гриппа, соответствуют «гипотезе Черной королевы»: отбор благоприятствует изменениям, поскольку для того, чтобы хотя бы оставаться на месте, нужно постоянно двигаться, как объясняла Алисе Черная королева. Постоянно меняющуюся среду, в которой необходимы такие изменения, создает иммунная система хозяина. Этот динамично меняющийся ландшафт может менять направление отбора.

О значении работы для практической медицины корреспонденту PCR.news рассказал руководитель исследования доктор биологических наук Георгий Базыкин, доцент Сколтеха, зав. сектором молекулярной эволюции ИППИ РАН:

«У нас есть средство защиты от гриппа — это вакцинация. К сожалению, она не обладает стопроцентной эффективностью. Одна из проблем при создании вакцин — определение того, какой вариант вируса окажется наиболее распространённым в следующем сезоне. Существующие модели делают это небезупречно. Мы полагаем, что нашли одну из причин. Эти модели, как правило, предполагают, что приспособленность разных вариантов вируса не меняется со временем: мутация в геноме вируса, которая была полезной ему 10 лет назад, будет полезной и сегодня. Но это неверно: вирус живет в постоянно изменяющихся условиях, потому что человечество вырабатывает иммунитет на предыдущие штаммы и изменяет используемые вакцины. Разработанный нами метод позволяет определить сайты, помогающие вирусу оставаться «на гребне волны» в постоянно меняющемся адаптивном ландшафте. Это позволит точнее предсказывать эволюционный успех разных штаммов в следующем году, и поможет предотвратить ситуацию, когда вакцина «промахивается» мимо циркулирующего штамма».