Происхождение опасных вариантов коронавируса: объяснение учёных

Исследователи из НИУ ВШЭ совместно с коллегами из Сколтеха и ЦНИИ эпидемиологии раскрыли механизмы возникновения новых опасных вариантов коронавируса, таких как альфа, дельта, омикрон. Они обнаружили, что вероятность появления замены в определённом сайте генома SARS-CoV-2 зависит от согласованных замен в других сайтах.

Это объясняет, почему новые, более заразные варианты вируса могут появляться неожиданно и значительно отличаться от ранее циркулировавших. Результаты исследования опубликованы в eLife.

Все вирусы, включая SARS-CoV-2, со временем меняются. Чем дольше вирус циркулирует в популяции, тем больше мутаций он накапливает. Обычно новые штаммы похожи на родительские. Однако иногда мутации приводят к появлению вариантов, лучше приспособленных к среде и более опасных для здоровья. Они быстрее распространяются, могут не реагировать на существующие вакцины или лечение.

В истории коронавируса высокоактивные варианты появлялись неожиданно. Штаммы, обнаруженные в Великобритании, а также дельта и омикрон, казалось, возникли из ниоткуда и распространялись молниеносно. Все они сильно отличаются от исходного уханьского штамма и друг от друга множеством мутаций. При этом учёные не могли обнаружить промежуточные варианты, которые показывали бы последовательное накопление этих изменений.

«Эволюцию вируса в популяции можно сравнить с путешествием по обширной местности с оврагами, долинами и холмами. Вирус случайным образом бродит по этому ландшафту, быстро погибая, если падает в полость, выживая дольше в долинах и процветая на пиках», — говорит соавтор исследования, старший научный сотрудник Международной лаборатории статистической и вычислительной геномики НИУ ВШЭ Алексей Неверов.

«Ландшафт приспособленности коронавируса больше похож на обширное водное пространство с разбросанными островами, представляющими варианты вируса, которые отличаются друг от друга определённым набором мутаций. Чтобы перебраться с одного острова на другой, нужно долго плыть на лодке и не утонуть. У науки пока нет точного ответа, как вирус перемещается между этими островами».

Проанализировав более трёх миллионов геномных последовательностей различных штаммов SARS-CoV-2, исследователи выявили конкретные сайты на поверхностном белке коронавируса, где происходили аминокислотные замены, отличающие варианты как от уханьского штамма, так и друг от друга.

Многие из этих сайтов, как оказалось, эволюционируют согласованно: замена аминокислот в одном сайте быстро сопровождалась изменениями в другом сайте. Все активные и опасные варианты вируса отличались от ранее преобладавших вариантов паттернами множественных замен.

«Процесс перехода с одного острова на другой включает накопление мутаций. Пока вирус "в плавании", он уязвим и плохо приспособлен. Действительно, он может достичь другого острова, только если у него есть своего рода лодка. Что касается коронавируса, люди с длительным течением COVID-19 потенциально могут быть носителями накопления вариантов, плохо приспособленных для выживания в общей популяции. Однако со временем эти варианты могут эволюционировать в более сильные формы, которые имеют потенциал для широкого распространения», — объясняет Неверов.

Авторы исследования предлагают объяснение, почему промежуточные варианты, отличающиеся от исходного вируса всего одной или двумя заменами, могут быть не видны. Возможно, эти «слабые» варианты становятся «сильными» только тогда, когда собирают целый паттерн индивидуально вредных замен. В результате предсказать появление нового высокоадаптивного штамма сложно.

Использованный авторами статистический метод универсален и может применяться для исследования эволюции многих других патогенов. В частности, этот подход уже успешно применялся для изучения эволюции гриппа и туберкулёза.