Генетические анализы выявляют новые вирусы на горизонте

Внезапно появляются вирусы, которые, подобно коронавирусу SARS-CoV-2, могут вызывать крупные эпидемии. Они не совсем новые, но генетически изменились. В частности, обмен генетическим материалом между разными видами вирусов может привести к внезапному появлению опасных патогенов со значительно измененными свойствами.

Это подтверждают текущие генетические анализы, проведенные международной группой исследователей. Вирусологи из Немецкого центра исследования рака (DKFZ) руководили крупномасштабным исследованием, опубликованным в журнале PLOS Pathogens.

«Используя новый компьютерный метод анализа, мы обнаружили 40 ранее неизвестных нидовирусов у различных позвоночных — от рыб до грызунов, включая 13 коронавирусов», — сообщает руководитель группы DKFZ Штефан Зайц. С помощью высокопроизводительных компьютеров исследовательская группа, в которую также входит рабочая группа Криса Лаубера из Центра исследования инфекций Гельмгольца в Ганновере, проанализировала почти 300 000 наборов данных. По словам вирусолога Зайца, возможность анализировать такие огромные объемы данных открывает совершенно новые перспективы.

Исследования вирусов все еще находятся в зачаточном состоянии. Известна лишь часть всех встречающихся в природе вирусов, особенно тех, что вызывают заболевания у людей, домашних животных и сельскохозяйственных культур. Новый метод обещает прорыв в знаниях о естественном резервуаре вирусов. Штефан Зайц и его коллеги пропустили генетические данные позвоночных из научных баз данных через свои суперкомпьютеры с новыми задачами. Они искали инфицированных животных, чтобы получить и изучить вирусный генетический материал в больших масштабах. Основное внимание уделялось так называемым нидовирусам, к семейству которых относятся и коронавирусы.

Нидовирусы, чей генетический материал состоит из РНК (рибонуклеиновая кислота), широко распространены среди позвоночных. Эта богатая видами группа вирусов имеет общие характеристики, отличающие их от всех других РНК-вирусов и подтверждающие их родство. В остальном нидовирусы очень разнообразны, например, по размеру своего генома.

Одно открытие особенно интересно в контексте возникновения новых вирусов: у животных-хозяев, одновременно инфицированных разными вирусами, во время репликации вируса может происходить рекомбинация вирусных генов.

«Очевидно, обнаруженные нами нидовирусы у рыб часто обмениваются генетическим материалом между разными видами вирусов, даже через границы семейств», — говорит Зайц. Когда далекие родственники «скрещиваются», это может привести к появлению вирусов с совершенно новыми свойствами. По словам Зайца, такие эволюционные скачки могут влиять на агрессивность и опасность вирусов, а также на их привязанность к определенным хозяевам.

«Генетический обмен, который мы обнаружили у вирусов рыб, вероятно, происходит и у вирусов млекопитающих», — объясняет Зайц. Летучие мыши, которые, как и землеройки, часто инфицированы большим количеством разных вирусов, считаются настоящим «плавильным котлом». Коронавирус SARS-CoV-2, вероятно, также развился у летучих мышей и оттуда перешел к человеку.

После генетического обмена между нидовирусами часто меняется спайковый белок, с помощью которого вирусы прикрепляются к клеткам хозяина. Крис Лаубер, первый автор исследования, смог показать это с помощью филогенетического анализа. Изменение этой молекулы-якоря может значительно изменить свойства вирусов в их пользу — повысив их заразность или позволив сменить хозяина.

Смена хозяина, особенно от животных к человеку, может значительно облегчить распространение вируса, что наглядно продемонстрировала пандемия коронавируса. Вирусные «игроки, меняющие правила», могут внезапно появиться в любой момент, становясь серьезной угрозой и, в худшем случае, вызывая пандемию. Отправной точкой может стать одно двойное инфицированное животное-хозяин.

Новый метод с использованием высокопроизводительных компьютеров (High Performance Computing, HPC) может помочь предотвратить распространение новых вирусов. Он позволяет систематически искать варианты вирусов, потенциально опасные для человека, объясняет Зайц.

Исследователь DKFZ видит еще одно важное возможное применение в своей специальной области исследований — вирус-ассоциированном канцерогенезе: «Я могу представить, что с помощью нового HPC мы могли бы систематически обследовать онкологических пациентов или людей с ослабленным иммунитетом на наличие вирусов. Мы знаем, что рак может быть спровоцирован вирусами, самый известный пример — вирусы папилломы человека. Но, вероятно, мы до сих пор видим лишь верхушку айсберга. Метод HPC дает возможность выследить вирусы, которые, оставаясь незамеченными, гнездятся в человеческом организме и повышают риск злокачественных опухолей».