Как вирусы мутируют и создают новые варианты
Новые варианты вируса SARS-CoV-2, такие как Alpha, Beta и Gamma, обладают свойствами, которые делают их более успешными в передаче и репликации, чем исходный вирус. Например, вариант Alpha, ставший доминирующим в США, работает, отключая первую линию защиты иммунной системы — интерфероновые клетки.
Вирусы не являются технически живыми существами — они вторгаются в живые клетки и используют их механизмы для получения энергии, репликации и заражения других организмов.
Разница между ДНК- и РНК-вирусами
Основное различие заключается в том, что геном вируса может быть молекулой ДНК или РНК. Геном всех клеточных организмов, включая человека, — это всегда ДНК. Коронавирусы, такие как SARS-CoV-2, являются РНК-вирусами.
- ДНК — почти всегда двухцепочечная молекула, стабильная, с основаниями: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T).
- РНК — часто одноцепочечная молекула, схожая с ДНК, но вместо тимина (T) содержит уридин (U).
Вирусы могут иметь разные типы геномов: двухцепочечную или одноцепочечную ДНК, одноцепочечную или двухцепочечную РНК. Если вирусы имеют двухцепочечный ДНК-геном, они могут использовать ферменты захваченной клетки. Но если у них РНК-геном, как у SARS-CoV-2, им нужен специальный фермент для копирования РНК — RdRp (РНК-зависимая РНК-полимераза).
Как происходят мутации?
Мутации возникают при ошибках в спаривании оснований во время репликации генетического материала. Например, если основание A по ошибке спаривается с C вместо T или U.
- В ДНК-вирусах (и в клетках) аппарат синтеза ДНК имеет механизм коррекции ошибок («proofreading»), который распознаёт и исправляет неверные спаривания.
- В большинстве РНК-вирусов механизм копирования РНК не имеет такой коррекции, что приводит к высокой частоте мутаций.
- Коронавирусы — исключение. У них есть специальный фермент, позволяющий проводить коррекцию ошибок, поэтому их уровень мутаций ниже, чем у других РНК-вирусов (например, гриппа), но, вероятно, не так эффективен, как у ДНК.
Высокая частота мутаций позволяет вирусам быстро эволюционировать и избегать иммунной системы, но если ошибок слишком много, это вредит и самому вирусу.
Что происходит с мутациями?
Мутация может:
- Ничего не изменить.
- Навредить вирусу (такие варианты, как правило, исчезают).
- Улучшить свойства вируса (например, повысить передаваемость).
Если мутация даёт вирусу даже небольшое преимущество в передаче, естественный отбор может привести к его доминированию, как мы видели с новыми вариантами SARS-CoV-2.
На частоту появления мутантов также влияет огромное количество копий вируса, производимых в одной клетке (сотни или тысячи).
Важно: Лучшая передача не обязательно означает более тяжёлую болезнь (вирулентность). Патогенез зависит от многих факторов, помимо репликации вируса.
Могут ли варианты смешиваться?
В случае коинфекции одной клетки двумя разными вирусами, их геномы могут рекомбинировать, создавая новый вариант. Для коронавирусов есть свидетельства такой возможности. Хотя такие события редки, из-за экспоненциальной репликации вируса они имеют вероятность произойти.
Нужно ли обновлять вакцины против вариантов?
- Грипп: Вакцину обновляют ежегодно, так как это РНК-вирус без коррекции ошибок, с очень высокой частотой мутаций. Он постоянно меняется, чтобы избежать иммунитета.
- Коронавирус (SARS-CoV-2): На данный момент нет
доказательств, что варианты радикально ускользают от защиты существующих
вакцин. Он мутирует медленнее гриппа благодаря механизму коррекции.
- Однако, если вирус станет эндемичным и будет циркулировать постоянно, со временем может потребоваться бустерная доза для защиты от новых вариантов.
- Иммунитет населения (после вакцинации или болезни) создаёт давление отбора, которое может способствовать появлению вариантов, но для коронавируса этот риск ниже, чем для гриппа.