Кожного разу, коли відбувається серйозна спалах хвороби, одне з перших питань, яке задають науковці та громадськість: "Звідки це взялося?"

Для того, щоб передбачити та запобігти майбутнім пандеміям, таким як COVID-19, дослідникам потрібно знайти походження вірусів, які їх викликають. Це не тривіальне завдання. походження ВІЛ було незрозумілим лише через 20 років після його поширення по всьому світу. Вчені досі не знають походження Еболи, хоча вона і є викликали періодичні епідемії з 1970-х років.

Як експерт з вірусної екології, Мене часто запитують, як вчені відстежують походження вірусу. У своїй роботі я знайшов багато нових вірусів та деяких відомих патогенів, які вражають дикі рослини не викликаючи жодної хвороби. Рослинні, тваринні чи людські методи в основному однакові. Відстеження походження вірусу передбачає поєднання великих польових робіт, ретельних лабораторних досліджень і зовсім небагато удачі.

Віруси стрибають від господарів диких тварин до людей

Багато вірусів та інших збудників хвороб, які заражають людей, походять від тварин. Ці захворювання є зоонотичний, тобто вони спричинені вірусами тварин, які перескочили на людей і пристосувалися до поширення через людську популяцію.

Може бути спокусливо розпочати пошук вірусного походження, протестувавши хворих тварин на місці першої відомої людської інфекції, але дикі господарі часто не виявляють жодних симптомів. Віруси та їхні господарі з часом пристосовуються один до одного, тому віруси часто не викликають явних симптомів захворювання, поки не з’являться перейшов до нового виду-господаря. Дослідники не можуть просто шукати хворих тварин.

Інша проблема полягає в тому, що люди та їхні тварини, що харчуються, не стаціонарні. Місце, де дослідники знаходять першу інфіковану людину, не обов'язково близько до місця, де вірус вперше виник. Проблемою відстеження вірусного походження є широкий спектр зразків людини та тварин, які потрібно збирати та тестувати. LLuis Alvarez / DigitalVision через Getty Images

У випадку з COVID-19, очевидно, першочергове місце було шукати кажанів. Вони відомі господарями багатьох коронавірусів і є ймовірним джерелом інших зоонозних захворювань, таких як ГРВІ та MERS.

Для SARS-CoV-2, вірусу, який спричиняє COVID-19, найближчі до цього часу вчені виявили: BatCoV RaTG13. Цей вірус є частиною колекції коронавірусів кажанів, виявлених у 2011 та 2012 роках вірусологами з Інституту вірусології Ухані. Вірусологи шукали коронавіруси, пов'язані з ГРВІ, у кажанів після Пандемія ГРВІ-CoV-1 у 2003 році. Вони збирали зразки фекалій та мазків із горла у кажанів на місці в провінції Юньнань, приблизно за 932 кілометрів від лабораторії інституту в Ухані, куди привезли зразки для подальшого вивчення.

Щоб перевірити, чи могли коронавіруси кажанів поширитися на людей, дослідники заразили клітини нирок мавп та клітини, отримані з пухлини людини із зразками Юньнань. Вони виявили, що низка вірусів із цієї колекції могла реплікуються в клітинах людини, тобто вони потенційно можуть передаватися безпосередньо від кажанів людям без проміжного господаря. Проте кажани та люди не дуже часто контактують, проте проміжний господар все ще досить вірогідний.

Пошук найближчих родичів

Наступним кроком є ​​визначення того, наскільки тісно пов’язаний підозрюваний вірус дикої природи з вірусом, який заражає людей. Вчені роблять це шляхом з’ясування генетичної послідовності вірусу, яка передбачає визначення порядку основних будівельних блоків, або нуклеотиди, що складають геном. Чим більше нуклеотидів розділяють дві генетичні послідовності, тим тісніше вони пов’язані.

Генетичне секвенування коронавірусу кажана RaTG13 показало, що воно закінчилося 96% ідентично до ГРВІ-CoV-2. Цей рівень подібності означає, що RaTG13 є досить близьким відносно SARS-CoV-2, підтверджуючи, що SARS-CoV-2, ймовірно, походить від кажанів, але все ще занадто віддалений, щоб бути прямим предком. Ймовірно, був ще один господар, який виловлював вірус від кажанів і передавав його людям. Для того, щоб знайти проміжного господаря між кажанами та людьми, дослідникам доводиться кидати велику сітку та відбирати багато різних тварин. AP Photo / Сільвія Іск'єрдо

Оскільки деякі з найперших випадків COVID-19 були виявлені у людей, пов’язаних із ринком дикої природи в Ухані, існували припущення, що дика тварина з цього ринку була проміжним господарем між кажанами та людьми. Однак дослідники ніколи не знайшов коронавірусу у тварин з ринку.

Так само, коли пов'язаний коронавірус був виявлений у ящери конфісковані в ході операції з протидії контрабанді на півдні Китаю, багато хто зробив висновок, що SARS-CoV-2 перестрибнув з кажанів на панголінів на людей. вірус панголіну було виявлено, що лише 91% ідентичний ГРВІ-CoV-2, однак, що навряд чи є прямим предком вірусу людини.

Щоб визначити походження ГРВІ-CoV-2, потрібно зібрати набагато більше диких зразків. Це складне завдання - відбір проб кажанів займає багато часу і вимагає суворих запобіжних заходів проти випадкової інфекції. Оскільки пов'язані з ГРВІ коронавіруси зустрічаються в кажани по всій Азії, включаючи Таїланд та Японію, це дуже велика копиця сіна для пошуку дуже маленької голки.

Створення сімейного дерева для ГРВІ-CoV-2

Для того, щоб розібрати головоломку вірусного походження та руху, вченим потрібно не лише знайти відсутні частини, а й з’ясувати, як вони всі поєднуються. Це вимагає збору зразків вірусів від інфекцій людини та порівняння цих генетичних послідовностей як між собою, так і з іншими вірусами тваринного походження.

Щоб визначити, як ці вірусні зразки пов’язані між собою, дослідники використовують комп’ютерні засоби для побудови генеалогічного дерева вірусу, або філогенез. Дослідники порівнюють генетичні послідовності кожної вірусної проби та будують взаємозв'язки, вирівнюючи та ранжуючи генетичні подібності та відмінності.

Безпосереднім предком вірусу, який має найбільшу генетичну схожість, можна вважати його батьків. Варіанти, що поділяють ту саму батьківську послідовність, але з достатньою кількістю змін, щоб зробити їх відмінними один від одного, схожі на братів і сестер. У випадку ГРВІ-CoV-2, Південноафриканський варіант, B.1.351, та варіант Великобританії, B.1.1.7, є братами та сестрами.

Побудова сімейного дерева ускладнюється тим, що різні параметри аналізу можуть давати різні результати: однаковий набір генетичних послідовностей може дати два дуже різні генеалогічні дерева. Нуклеотидні послідовності шести вигаданих вірусів показані зверху. Нижче наведено два генеалогічних дерева цих вірусів, створених за допомогою двох різних програм. Дерево ліворуч використовує лише відсотки ідентичності, тоді як дерево праворуч також враховує, чи мають дві послідовності однакові символи. Мерилін Руссінк, CC BY-ND

Для SARS-CoV-2 філогенетичний аналіз виявляється особливо складним. Хоча десятки тисяч послідовностей SARS-CoV-2 тепер доступні, вони не відрізняються один від одного настільки, щоб формують чітку картину про те, як вони пов'язані між собою.

Поточні дебати: дикий господар чи перекидання лабораторії?

Чи міг SARS-CoV-2 бути випущений з дослідницької лабораторії? Хоча поточні докази мається на увазі, що це не так, 18 видатних вірусологів нещодавно висловили думку, що це питання повинно бути подальше розслідування.

Хоча існували припущення про те, що SARS-CoV-2 розробляється в лабораторії, така можливість здається малоймовірною. При порівнянні генетичної послідовності дикого RaTG13 з ГРВІ-CoV-2, відмінності випадково розподіляються по геному. У спроектованому вірусі існують чіткі блоки змін, які представляють введені послідовності з іншого вірусного джерела.

[Отримайте найкращі історії з науки, охорони здоров'я та технологій. Підпишіться на науковий бюлетень The Conversation.]

У геномі SARS-CoV-2 є одна унікальна послідовність, яка кодує частину білка спайку, яка, схоже, відіграє важливу роль у зараженні людей. Цікаво, що подібна послідовність зустрічається в коронавірусі MERS, який викликає захворювання, подібне до COVID-19.

Хоча незрозуміло, яким чином SARS-CoV-2 придбав ці послідовності, вірусна еволюція припускає, що вони виникли внаслідок природних процесів. Віруси накопичувати зміни або шляхом генетичного обміну з іншими вірусами та їх господарями, або випадковими помилками під час реплікації. Віруси, які отримують генетичні зміни, що призводять до них репродуктивна перевага як правило, продовжує передавати його через реплікацію. Те, що MERS та SARS-CoV-2 поділяють подібну послідовність у цій частині геному, свідчить про те, що він природно еволюціонував в обох і поширився, оскільки допомагає їм інфікувати клітини людини.

Куди піти далі?

З’ясування походження ГРВІ-CoV-2 може дати нам підказки для розуміння та прогнозування майбутніх пандемій, але ми ніколи не можемо точно знати, звідки воно взялося. Незалежно від того, як SARS-CoV-2 стрибнув на людей, він зараз тут, і, мабуть, тут, щоб залишитися. Надалі дослідникам потрібно продовжувати стежити за його розповсюдженням та робити якомога більшу кількість людей.

про автора