Машинное обучение определило виды млекопитающих, способные распространять SARS-CoV-2

Обратная передача SARS-CoV-2 между людьми и другими млекопитающими увеличивает риск появления новых вариантов вируса и угрожает борьбе с COVID-19. Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the Royal Society B, использовало новый подход к моделированию для прогнозирования зоонозного потенциала 5400 видов млекопитающих, расширив прогностические возможности на порядок. Многие из видов, отнесённых к группе высокого риска, живут рядом с людьми и в очагах COVID-19.

Основным препятствием для прогнозирования видов млекопитающих высокого риска является ограниченность данных о рецепторе ACE2, к которому связывается SARS-CoV-2 у животных. ACE2 позволяет вирусу проникать в клетки хозяина и присутствует у всех основных групп позвоночных. Вероятно, все позвоночные имеют рецепторы ACE2, но последовательности были доступны только для 326 видов.

Чтобы преодолеть это препятствие, команда разработала модель машинного обучения, которая объединила данные о биологических признаках 5400 видов млекопитающих с имеющимися данными об ACE2. Цель: определить виды млекопитающих с высоким «зоонозным потенциалом» — способностью заразиться SARS-CoV-2 и передать его другим животным и людям. Этот метод может помочь расширить прогностические возможности и для других болезней.

Соавтор Илья Фишхофф отмечает: «SARS-CoV-2 произошёл от животного, прежде чем перейти к людям. Теперь люди вызвали обратные заражения у различных млекопитающих, включая тех, что содержатся на фермах, в зоопарках и даже в наших домах. Знание, какие млекопитающие способны повторно заразить нас, жизненно важно для предотвращения обратных заражений и опасных новых вариантов».

Когда вирус передаётся от людей животным и обратно к людям, это называется вторичной передачей. Это явление может ускорить закрепление в человеческой популяции новых вариантов, которые являются более вирулентными и менее восприимчивыми к вакцинам. Вторичная передача SARS-CoV-2 уже была зарегистрирована среди норок на фермах в Дании и Нидерландах, где привела как минимум к одному новому варианту вируса.

Старший автор Барбара Хан говорит: «Вторичная передача позволяет SARS-CoV-2, закрепившемуся у новых хозяев, передавать людям потенциально более заразные штаммы. Выявление видов млекопитающих, эффективно передающих SARS-CoV-2, — важный шаг для направления эпиднадзора и предотвращения постоянной циркуляции вируса между людьми и другими животными».

Связывание с рецепторами ACE2 не всегда достаточно для облегчения репликации вируса, его выделения и последующей передачи. Команда обучила свои модели на консервативном пороге силы связывания, используя опубликованные аминокислотные последовательности ACE2 позвоночных, проанализированные с помощью инструмента HADDOCK (High Ambiguity Driven protein-protein DOCKing). Эта программа оценивала каждый вид по прогнозируемой силе связывания; более сильное связывание, вероятно, способствует успешному заражению и выделению вируса.

Соавтор Адриан Кастельянос поясняет: «Рецептор ACE2 выполняет важные функции и распространён среди позвоночных. Вероятно, он эволюционировал у животных вместе с другими экологическими и жизненными признаками. Сравнивая биологические признаки видов, известных наличием рецептора ACE2, с признаками других видов млекопитающих, мы можем делать прогнозы об их способности передавать SARS-CoV-2».

Этот комбинированный подход предсказал зоонозный потенциал видов млекопитающих, известных как переносчики, с точностью 72% и выявил множество дополнительных видов млекопитающих с потенциалом передачи SARS-CoV-2. Прогнозы совпали с наблюдаемыми результатами для белохвостого оленя, норки, енотовидной собаки, снежного барса и других. Модель показала, что виды с наибольшим риском часто живут в нарушенных ландшафтах и в непосредственной близости от людей — включая домашних животных, скот, а также животных, которых продают и на которых охотятся.

10% видов с самым высоким риском охватывали 13 отрядов. Среди групп млекопитающих приматы были предсказаны как имеющие самый высокий зоонозный потенциал и самое сильное вирусное связывание. Среди домашнего скота самым высоким риском обладал водяной буйвол. Модель также предсказала высокий зоонозный потенциал у активно продаваемых млекопитающих, включая макак, гималайских медведей, ягуаров и панголинов, что подчёркивает риски, связанные с рынками живой природы и торговлей дикими животными.

SARS-CoV-2 также представляет проблемы для охраны дикой природы. Заражение уже подтверждено у западных равнинных горилл. Для видов высокого риска, таких как горные гориллы, обратное заражение может произойти через экотуризм. Гризли, белые медведи и волки, все входящие в 90-й процентиль по прогнозируемому зоонозному потенциалу, часто контактируют с биологами во время исследований.

Хан объясняет: «Наша модель — единственная, которая смогла сделать прогнозы риска для почти всех видов млекопитающих. Каждый раз, когда мы слышим о новом виде, у которого обнаружен SARS-CoV-2, мы возвращаемся к нашему списку и обнаруживаем, что он занимает высокое место. Снежный барс имел оценку риска около 80-го процентиля. Теперь мы знаем, что они — один из видов дикой природы, которые могут умереть от COVID-19».

Людям, работающим в тесном контакте с млекопитающими высокого риска, следует принимать дополнительные меры предосторожности. Это включает приоритетную вакцинацию ветеринаров, смотрителей зоопарков, животноводов и других лиц, регулярно контактирующих с животными. Результаты также могут направлять целевые стратегии вакцинации для млекопитающих из группы риска.

Хан заключает: «Мы обнаружили, что виды с наибольшим риском часто живут рядом с нами. Нацеливание на эти виды для дополнительной лабораторной проверки и полевого наблюдения имеет решающее значение. Нам также следует изучить недостаточно используемые источники данных, такие как коллекции естественной истории, чтобы заполнить пробелы в данных о признаках животных и патогенов».